Lycée · Terminale · Spécialité SVT
Dynamique des écosystèmes et biodiversité
Perturbations, successions écologiques et réponses biologiques — programme de Terminale Spé SVT
À propos de cette page
L'écosystème : rappels et organisation
Un écosystème est l'ensemble formé par une communauté d'êtres vivants (biocénose) en interaction avec son milieu physico-chimique (biotope). Ces deux composantes sont liées par des flux de matière et d'énergie.
Les organismes d'un écosystème occupent des niveaux trophiques (producteurs primaires, consommateurs primaires, secondaires…, décomposeurs). Les interactions entre espèces peuvent être :
- Compétition : deux espèces en concurrence pour une ressource commune.
- Prédation / parasitisme : relation antagoniste entre prédateur/parasite et proie/hôte.
- Mutualisme : relation bénéfique pour les deux espèces (ex. mycorrhizes).
- Commensalisme : une espèce bénéficie sans affecter l'autre.
Les perturbations des écosystèmes
Une perturbation est tout événement qui déstructure un écosystème en modifiant les ressources, les habitats ou la composition de la biocénose. On distingue :
| Type | Exemples | Effet principal |
|---|---|---|
| Perturbations naturelles | Incendie naturel, tempête, éruption volcanique, inondation, épidémie | Destruction partielle ou totale de la biocénose |
| Perturbations anthropiques | Déforestation, agriculture intensive, urbanisation, pollutions, espèces invasives | Fragmentation, appauvrissement, disparition d'habitats |
L'intensité, la fréquence et l'étendue spatiale des perturbations déterminent leurs effets sur la biodiversité. La théorie des perturbations intermédiaires (Connell, 1978) stipule que la diversité maximale est atteinte pour des perturbations de fréquence et d'intensité modérées.
Les successions écologiques
Après une perturbation, l'écosystème se reconstitue progressivement : c'est la succession écologique. On distingue deux types :
Chaque stade de la succession est appelé stade seral. Le stade final, stable, est le climax (ex. forêt tempérée caducifoliée en Europe de l'Ouest).
1. Espèces pionnières héliophiles (cistes, asphodèles) colonisent le sol nu.
2. Arbustes (maquis : bruyères, cistes arborescents) s'installent.
3. Arbres (chênes verts) s'implantent, ombrage croissant.
4. Stade climacique : chênaie dense.
Les espèces pionnières modifient le milieu (sol, microclimat) et le rendent favorable aux espèces suivantes : c'est la facilitation. D'autres mécanismes existent :
- Tolérance : les espèces ultimes tolèrent les stades précoces et s'installent lentement.
- Inhibition : les espèces installées retardent l'installation des suivantes.
La résilience des écosystèmes
La résilience d'un écosystème est sa capacité à retourner à son état d'équilibre après une perturbation. Elle dépend de la redondance fonctionnelle : plusieurs espèces remplissent la même fonction écologique, ce qui tamponne les effets de la perte d'une espèce.
Des travaux expérimentaux (ex. Biodiversity and Ecosystem Functioning — BEF) ont montré que la biodiversité augmente la stabilité des écosystèmes :
- Des prairies plus diversifiées en espèces végétales montrent une productivité plus stable dans le temps.
- La richesse spécifique améliore la résistance aux invasions biologiques.
Mesurer la biodiversité
La biodiversité se mesure à plusieurs échelles :
| Échelle | Indice / mesure | Description |
|---|---|---|
| Diversité alpha (α) | Richesse spécifique $S$ | Nombre d'espèces dans un habitat |
| Diversité alpha (α) | Indice de Shannon $H'$ | $H' = -\sum_{i=1}^{S} p_i \ln(p_i)$, tient compte de l'abondance relative |
| Diversité bêta (β) | Indice de Sørensen, Jaccard | Dissimilarité entre deux habitats |
| Diversité gamma (γ) | Richesse régionale | Diversité totale d'un grand territoire |
Où $p_i$ est la fréquence relative de l'espèce $i$ dans la communauté. $H'$ est maximal quand toutes les espèces ont la même abondance (équitabilité $E = \frac{H'}{\ln S}$).
$p_A = 0{,}5$, $p_B = 0{,}3$, $p_C = 0{,}2$
$H' = -(0{,}5\ln 0{,}5 + 0{,}3\ln 0{,}3 + 0{,}2\ln 0{,}2) \approx 1{,}03$
Érosion de la biodiversité : causes et mécanismes
Le taux actuel d'extinction des espèces est estimé à 100 à 1 000 fois le taux naturel d'extinction de fond, conduisant certains scientifiques à parler de sixième extinction de masse.
Les causes sont résumées par l'acronyme HIPPO :
H — Habitat loss (destruction et fragmentation des habitats)
I — Invasive species (espèces exotiques envahissantes)
P — Pollution
P — Population (surpopulation humaine et surexploitation)
O — Overexploitation (surpêche, braconnage, surexploitation forestière)
La fragmentation des habitats est particulièrement dommageable : elle isole les populations, réduit les flux génétiques, crée des effets de bordure défavorables, et augmente la vulnérabilité aux perturbations. La biologie de la conservation quantifie cela via la théorie de la biogéographie insulaire (MacArthur & Wilson) :
$$S \approx c \cdot A^z$$
Où $S$ = richesse spécifique, $A$ = surface de l'île/fragment, $c$ et $z$ sont des constantes (généralement $z \approx 0{,}25$ pour les îles océaniques). Une réduction de surface entraîne une baisse prévisible de la richesse spécifique.
Les services écosystémiques
Les services écosystémiques (ou services rendus par les écosystèmes) sont les bénéfices que les êtres humains retirent des écosystèmes. Le Millennium Ecosystem Assessment (ONU, 2005) les classe en quatre catégories :
| Catégorie | Exemples |
|---|---|
| Services d'approvisionnement | Alimentation, eau douce, bois, fibres, médicaments |
| Services de régulation | Régulation du climat, purification de l'eau, pollinisation, contrôle des crues |
| Services culturels | Tourisme, récréation, esthétique, valeur spirituelle |
| Services de soutien | Formation des sols, cycle des nutriments, production primaire |
La biodiversité est le socle de ces services : plus un écosystème est riche en espèces, plus il est capable de fournir des services stables dans le temps. Des études économiques estiment la valeur des services écosystémiques mondiaux à plusieurs dizaines de milliers de milliards de dollars par an.
Conservation et restauration de la biodiversité
Face à l'érosion de la biodiversité, des stratégies de conservation existent à différentes échelles :
- Aires protégées : parcs nationaux, réserves naturelles, sites Natura 2000 (EU). En 2022, la COP15 de Montréal a fixé l'objectif de protéger 30 % des terres et des océans d'ici 2030 (accord « 30×30 »).
- Corridors biologiques : connexions entre habitats fragmentés permettant les flux génétiques et la dispersion des espèces (ex. Trame Verte et Bleue en France).
- Restauration écologique : réhabilitation d'écosystèmes dégradés (réintroduction d'espèces, reforestation, dépollution).
- Conservation ex situ : conservatoires botaniques, cryoconservation de semences (Svalbard Global Seed Vault), banques de gènes.
La restauration écologique s'appuie sur la compréhension des successions écologiques : favoriser les espèces pionnières adaptées, puis gérer la végétation pour accélérer la succession vers un stade climacique stable et riche en espèces.
- Un écosystème = biocénose + biotope ; la biodiversité s'évalue aux niveaux génétique, spécifique et écosystémique.
- Les perturbations structurent les écosystèmes ; une perturbation intermédiaire maximise la biodiversité (Connell).
- Les successions écologiques (primaires ou secondaires) mènent vers un stade climacique par facilitation, tolérance ou inhibition.
- La résilience dépend de la diversité fonctionnelle et de la redondance des espèces.
- L'indice de Shannon $H' = -\sum p_i \ln p_i$ mesure à la fois richesse et équitabilité.
- Causes de l'érosion : HIPPO (Habitat, Invasives, Pollution, Population, Overexploitation).
- La fragmentation réduit la richesse spécifique selon $S \approx c \cdot A^z$.
- Les services écosystémiques (approvisionnement, régulation, culturels, soutien) dépendent de la biodiversité.
- Conservation : aires protégées, corridors biologiques, restauration, approche One Health.
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