Biologie pour les Majors II

Distinguer les composants abiotiques et biotiques de lenvironnement

De nombreuses forces influencent les communautés dorganismes vivants présents dans différentes parties de la biosphère ( toutes les parties de la Terre habitées par la vie). La biosphère sétend dans latmosphère (à plusieurs kilomètres au-dessus de la Terre) et dans les profondeurs des océans. Malgré son apparente immensité pour un humain individuel, la biosphère noccupe quun espace infime par rapport à lunivers connu. De nombreuses forces abiotiques influencent les endroits où la vie peut exister et les types dorganismes trouvés dans différentes parties de la biosphère. Les facteurs abiotiques influencent la distribution des climats, de la flore et de la faune.

Biogéographie

Biogéographie est létude de la répartition géographique des êtres vivants et des facteurs abiotiques qui affectent leur répartition. Les facteurs abiotiques tels que la température et les précipitations varient principalement en fonction de la latitude et de laltitude. À mesure que ces facteurs abiotiques changent, la composition des communautés végétales et animales change également. Par exemple, si vous deviez commencer un voyage à léquateur et marcher vers le nord, vous remarqueriez des changements graduels dans les communautés végétales. Au début de votre voyage, vous verrez des forêts tropicales humides avec des arbres à feuilles persistantes à feuilles larges, caractéristiques des communautés végétales trouvées près de léquateur. En continuant à voyager vers le nord, vous verrez ces plantes à feuilles persistantes à feuilles larges donner éventuellement naissance à des forêts saisonnières sèches avec des arbres épars. Vous commenceriez également à remarquer des changements de température et dhumidité. À environ 30 degrés au nord, ces forêts céderaient la place aux déserts, caractérisés par de faibles précipitations.

En vous déplaçant plus au nord, vous verriez que les déserts sont remplacés par des prairies ou des prairies. Finalement, les prairies sont remplacées par des forêts tempérées de feuillus. Ces forêts de feuillus cèdent la place aux forêts boréales de la région subarctique, au sud du cercle polaire arctique. Enfin, vous atteindriez la toundra arctique, qui se trouve aux latitudes les plus septentrionales. Cette randonnée vers le nord révèle des changements graduels à la fois du climat et des types dorganismes qui se sont adaptés aux facteurs environnementaux associés aux écosystèmes trouvés à différentes latitudes. Cependant, différents écosystèmes existent à la même latitude en partie en raison de facteurs abiotiques tels que les courants-jets, le Gulf Stream et les courants océaniques. Si vous deviez escalader une montagne, les changements que vous verriez dans la végétation seraient parallèles à ceux que vous vous déplacerez vers des latitudes plus élevées.

Répartition des espèces

Les écologistes qui étudient la biogéographie examinent les modèles de distribution des espèces. Aucune espèce nexiste partout; par exemple, le piège à mouches de Vénus est endémique à une petite zone en Caroline du Nord et du Sud. Une espèce endémique est une espèce qui ne se trouve naturellement que dans une zone géographique spécifique généralement limitée en taille. Dautres espèces sont généralistes: espèces qui vivent dans une grande variété de zones géographiques; le raton laveur, par exemple, est originaire de la majeure partie de lAmérique du Nord et centrale.

Les modèles de distribution des espèces sont basés sur des facteurs biotiques et abiotiques et leurs influences pendant les très longues périodes de temps nécessaires à lévolution des espèces; par conséquent, les premières études de la biogéographie étaient étroitement liées à lémergence de la pensée évolutionniste au XVIIIe siècle. Certains des assemblages de plantes et danimaux les plus caractéristiques se trouvent dans des régions physiquement séparées depuis des millions dannées par des barrières géographiques. Les biologistes estiment que lAustralie, par exemple, compte entre 600 000 et 700 000 espèces de plantes et danimaux. Environ 3/4 des espèces vivantes de plantes et de mammifères sont des espèces endémiques que lon trouve uniquement en Australie (Figure 1).

Figure 1. LAustralie abrite de nombreuses espèces endémiques. Le (a) wallaby (Wallabia bicolor), un membre de taille moyenne de la famille des kangourous, est un mammifère en poche, ou marsupial. Léchidné (b) (Tachyglossus aculeatus) est un mammifère pondeur. (crédit a: modification du travail de Derrick Coetzee; crédit b: modification du travail dAllan Whittome)

Parfois, les écologistes découvrent des modèles uniques de distribution des espèces en déterminant où les espèces ne sont pas trouvées. Hawaï, par exemple, na pas despèces terrestres indigènes de reptiles ou damphibiens et na quun seul mammifère terrestre indigène, la chauve-souris cendrée. La plupart de la Nouvelle-Guinée, par exemple, manque de mammifères placentaires.

Les plantes peuvent être endémiques ou généralistes: les plantes endémiques ne se trouvent que sur des régions spécifiques de la Terre, tandis que les généralistes se trouvent dans de nombreuses régions. Les masses continentales isolées – telles que lAustralie, Hawaï et Madagascar – comptent souvent un grand nombre despèces végétales endémiques. Certaines de ces plantes sont en danger en raison de lactivité humaine. Le gardénia forestier (Gardenia brighamii), par exemple, est endémique à Hawaï; on pense que seuls 15 à 20 arbres existent.

Sources dénergie

Figure 2. La beauté printanière est une plante printanière éphémère qui fleurit tôt au printemps pour éviter de rivaliser avec les grands arbres forestiers pour la lumière du soleil. (crédit: John Beetham)

Lénergie du soleil est capturée par les plantes vertes, les algues, les cyanobactéries et les protistes photosynthétiques. Ces organismes convertissent lénergie solaire en énergie chimique nécessaire à tous les êtres vivants. La disponibilité de la lumière peut être une force importante affectant directement lévolution des adaptations dans les photosynthétiseurs. Par exemple, les plantes du sous-étage dune forêt tempérée sont ombragées lorsque les arbres au-dessus delles dans la canopée sépanouissent complètement à la fin du printemps. Sans surprise, les plantes de sous-étage ont des adaptations pour capturer avec succès la lumière disponible. Lune de ces adaptations est la croissance rapide des plantes éphémères printanières telles que la beauté printanière (figure 2). Ces fleurs printanières atteignent une grande partie de leur croissance et terminent leur cycle de vie (se reproduisent) tôt dans la saison avant que les arbres de la canopée ne développent des feuilles.

Dans les écosystèmes aquatiques, la disponibilité de la lumière peut être limitée car la lumière du soleil est absorbé par leau, les plantes, les particules en suspension et les micro-organismes résidents. Vers le fond dun lac, dun étang ou dun océan, il y a une zone que la lumière ne peut atteindre. La photosynthèse ne peut pas y avoir lieu et, par conséquent, un certain nombre dadaptations ont évolué qui permettent aux êtres vivants de survivre sans lumière. Par exemple, les plantes aquatiques ont un tissu photosynthétique près de la surface de leau; par exemple, pensez aux larges feuilles flottantes dun nénuphar – les nénuphars ne peuvent survivre sans lumière. Dans des environnements tels que les évents hydrothermaux, certaines bactéries extraient lénergie des produits chimiques inorganiques car il ny a pas de lumière pour la photosynthèse.

Figure 3. La remontée des eaux est un processus important qui recycle les nutriments et lénergie dans locéan. Lorsque le vent (flèches vertes) pousse au large, leau du fond de locéan (flèches rouges) se déplace vers la surface, apportant des nutriments des profondeurs de locéan.

La disponibilité des nutriments dans les systèmes aquatiques sont également un aspect important de lénergie ou de la photosynthèse. De nombreux organismes coulent au fond de locéan lorsquils meurent en eau libre; lorsque cela se produit, lénergie trouvée dans cet organisme vivant est séquestrée pendant un certain temps à moins quune remontée deau ne se produise. Lupwelling océanique est la montée des eaux profondes de locéan qui se produit lorsque les vents dominants soufflent le long des eaux de surface près dun littoral (figure 3). Alors que le vent pousse les eaux océaniques au large, leau du fond de locéan remonte pour remplacer cette eau. En conséquence, les nutriments autrefois contenus dans les organismes morts deviennent disponibles pour être réutilisés par dautres organismes vivants.

Dans les systèmes deau douce, le recyclage des nutriments se produit en réponse aux changements de température de lair. Les nutriments au fond des lacs sont recyclés deux fois par an: au printemps et à lautomne. Le renouvellement printanier et automnal est un processus saisonnier qui recycle les nutriments et loxygène du fond dun écosystème deau douce vers le haut dun plan deau. Ces retournements sont causés par la formation dune thermocline: une couche deau dont la température est sensiblement différente de celle des couches environnantes. En hiver, la surface des lacs trouvés dans de nombreuses régions du nord est gelée. Cependant, leau sous la glace est légèrement plus chaude et leau au fond du lac est plus chaude encore entre 4 ° C et 5 ° C (39,2 ° F et 41 ° F). Leau est la plus dense à 4 ° C; par conséquent, leau la plus profonde est également la plus dense. Leau la plus profonde est pauvre en oxygène car la décomposition de la matière organique au fond du lac utilise loxygène disponible qui ne peut pas être remplacé par la diffusion doxygène dans leau en raison de la couche de glace de surface.

Figure 4. Les changements de printemps et dautomne sont des processus importants dans les lacs deau douce qui agissent pour déplacer les nutriments et loxygène au fond des lacs profonds jusquau sommet. Le renouvellement se produit parce que leau a une densité maximale à 4 ° C. La température de leau de surface change au fur et à mesure que les saisons avancent et leau plus dense diminue.

Au printemps, les températures de lair augmentent et la glace de surface fond. Lorsque la température de leau de surface commence à atteindre 4 ° C, leau devient plus lourde et coule au fond. Leau au fond du lac est alors déplacée par leau de surface plus lourde et, ainsi, remonte vers le haut. Lorsque cette eau monte vers le haut, les sédiments et les nutriments du fond du lac sont amenés avec elle. Pendant les mois dété, leau du lac se stratifie, ou forme des couches de température, avec leau la plus chaude à la surface du lac.

À mesure que la température de lair baisse à lautomne, la température de leau du lac se refroidit à 4 ° C; par conséquent, cela provoque un roulement à la baisse lorsque leau froide lourde coule et déplace leau au fond. Leau riche en oxygène à la surface du lac se déplace ensuite vers le fond du lac, tandis que les nutriments au fond du lac remontent à la surface. Pendant lhiver, loxygène au fond du lac est utilisé par les décomposeurs et autres organismes nécessitant de loxygène, comme les poissons.

Température

Figure 5. Cette source chaude colorée du parc national de Yellowstone, située à Midway Geyser Basin, est la plus grande source chaude des États-Unis et la troisième au monde. Sa couleur riche est le résultat dorganismes thermophiles vivant le long des bords de la source chaude,

La température affecte la physiologie des êtres vivants ainsi que la densité et létat de leau. La température exerce une influence importante sur les êtres vivants car peu dêtres vivants peuvent survivre à des températures inférieures à 0 ° C (32 ° F) en raison de contraintes métaboliques. Il est également rare que les êtres vivants survivent à des températures dépassant 45 ° C (113 ° F); cest le reflet de la réponse évolutive aux températures typiques. Les enzymes sont les plus efficaces dans une gamme étroite et spécifique de températures; la dégradation enzymatique peut se produire à des températures plus élevées. Par conséquent, les organismes doivent soit maintenir une température interne, soit habiter un environnement qui maintiendra le corps dans une plage de température qui soutient le métabolisme. Certains animaux se sont adaptés pour permettre à leur corps de survivre à des fluctuations de température importantes, comme celles observées en hibernation ou en torpeur reptilienne. De même, certaines bactéries sont adaptées pour survivre à des températures extrêmement chaudes telles que les geysers. Ces bactéries sont des exemples dextrémophiles: des organismes qui se développent dans des environnements extrêmes.

La température peut limiter la distribution des êtres vivants. Les animaux confrontés à des fluctuations de température peuvent répondre par des adaptations, telles que la migration, afin de survivre. La migration, le mouvement dun endroit à un autre, est une adaptation que lon retrouve chez de nombreux animaux, dont beaucoup vivent dans des climats froids de saison. La migration résout les problèmes liés à la température, à la localisation des aliments et à la recherche dun partenaire. En migration, par exemple, la Sterne arctique (Sterna paradisaea) effectue un vol aller-retour de 40000 km (24000 mi) chaque année entre ses aires dalimentation dans lhémisphère sud et ses aires de reproduction dans locéan Arctique. Les papillons monarques (Danaus plexippus) vivent dans lest des États-Unis pendant les mois les plus chauds et migrent vers le Mexique et le sud des États-Unis en hiver. Certaines espèces de mammifères font également des incursions migratoires. Le renne (Rangifer tarandus) parcourt environ 5 000 km chaque année pour trouver de la nourriture. Les amphibiens et les reptiles sont plus limités dans leur distribution car ils nont pas de capacité migratoire. Tous les animaux qui peuvent migrer ne le font pas: la migration comporte des risques et entraîne un coût énergétique élevé.

Figure 6. Les chipmunks hibernent pendant lhiver, mais ils sortent du sommeil tous les quelques jours pour manger.

Certains animaux hibernent ou estivent pour survivre à des températures hostiles. Lhibernation permet aux animaux de survivre dans des conditions froides et lestivation permet aux animaux de survivre aux conditions hostiles dun climat chaud et sec. Les animaux qui hibernent ou estivent entrent dans un état connu sous le nom de torpeur: une condition dans laquelle leur taux métabolique est considérablement abaissé. Cela permet à lanimal dattendre que son environnement soutienne mieux sa survie. Certains amphibiens, comme la grenouille des bois (Rana sylvatica), ont dans leurs cellules un produit chimique semblable à un antigel, qui conserve lintégrité des cellules et les empêche déclater.

Facteurs abiotiques influençant la croissance des plantes

La température et lhumidité sont des influences importantes sur la production végétale (productivité primaire) et la quantité de matière organique disponible comme nourriture (productivité primaire nette).La productivité primaire nette est une estimation de toute la matière organique disponible comme nourriture; elle est calculée comme la quantité totale de carbone fixée par an moins la quantité oxydée pendant la respiration cellulaire. Dans les environnements terrestres, la productivité primaire nette est estimée en mesurant la biomasse aérienne par unité de surface, qui est la masse totale de plantes vivantes, à lexclusion des racines. Cela signifie quun pourcentage important de la biomasse végétale qui existe sous terre nest pas inclus dans cette mesure. La productivité primaire nette est une variable importante lorsquon considère les différences de biomes. Les biomes très productifs ont un niveau élevé de biomasse aérienne.

La production annuelle de biomasse est directement liée aux composants abiotiques de lenvironnement. Les environnements avec la plus grande quantité de biomasse ont des conditions dans lesquelles la photosynthèse, la croissance des plantes et la productivité primaire nette qui en résulte sont optimisées. Le climat de ces régions est chaud et humide. La photosynthèse peut se dérouler à un rythme élevé, les enzymes peuvent fonctionner plus efficacement et les stomates peuvent rester ouverts sans risque de transpiration excessive; ensemble, ces facteurs conduisent à la quantité maximale de dioxyde de carbone (CO2) entrant dans lusine, ce qui entraîne une production élevée de biomasse. La biomasse aérienne produit plusieurs ressources importantes pour dautres êtres vivants, y compris lhabitat et la nourriture. A linverse, les environnements secs et froids ont des taux de photosynthèse plus faibles et donc moins de biomasse. Les communautés animales qui y vivent seront également affectées par la diminution de la nourriture disponible.

Nutriments inorganiques et sol

Les nutriments inorganiques, tels que lazote et le phosphore, sont importants dans la distribution et la labondance des êtres vivants. Les plantes obtiennent ces nutriments inorganiques du sol lorsque leau pénètre dans la plante par les racines. Par conséquent, la structure du sol (taille des particules des composants du sol), le pH du sol et la teneur en éléments nutritifs du sol jouent un rôle important dans la distribution des plantes. Les animaux tirent des nutriments inorganiques des aliments quils consomment. Par conséquent, la distribution des animaux est liée à la distribution de ce quils mangent. Dans certains cas, les animaux suivront leur ressource alimentaire lorsquelle se déplace dans lenvironnement.

Eau

Leau est nécessaire à tous les êtres vivants car elle est essentielle pour les processus cellulaires. Étant donné que les organismes terrestres perdent de leau dans lenvironnement par simple diffusion, ils ont évolué de nombreuses adaptations pour retenir leau.

• Les animaux seront recouverts dune peau ou dune cuticule grasse ou cireuse pour retenir lhumidité.
• Les plantes ont un certain nombre de caractéristiques intéressantes sur leurs feuilles, telles que les poils des feuilles et une cuticule cireuse, qui servent à réduire le taux de perte deau par transpiration.

Organismes entourés de leau nest pas à labri du déséquilibre de leau; eux aussi ont des adaptations uniques pour gérer leau à lintérieur et à lextérieur des cellules.

• Les organismes deau douce sont entourés deau et sont constamment en danger davoir de leau se précipiter dans leurs cellules à cause de losmose. De nombreuses adaptations dorganismes vivant dans des environnements deau douce ont évolué pour garantir que les concentrations de solutés dans leur corps restent à des niveaux appropriés. Une de ces adaptations est lexcrétion durine diluée; lurine diluée a une faible concentration de solutés et est principalement constituée deau, ce qui leur permet dexpulser lexcès deau.
• Les organismes marins sont entourés deau avec une concentration de soluté plus élevée que lorganisme et, par conséquent, sont en danger de perdre de leau dans lenvironnement à cause de losmose. Ces organismes ont des adaptations morphologiques et physiologiques pour retenir leau et libérer des solutés dans lenvironnement. Par exemple, les iguanes marins (Amblyrhynchus cristatus) éternuent la vapeur deau riche en sel afin de maintenir les concentrations de soluté dans une plage acceptable tout en nageant dans locéan et en mangeant des plantes marines.

Autres facteurs aquatiques

Certains facteurs abiotiques, comme loxygène, sont importants dans les écosystèmes aquatiques ainsi que dans les environnements terrestres. Les animaux terrestres tirent leur oxygène de lair quils respirent. Cependant, la disponibilité de loxygène peut être un problème pour les organismes vivant à très haute altitude, là où il y a moins de molécules doxygène dans lair. Dans les systèmes aquatiques, la concentration doxygène dissous est liée à la température de leau et à la vitesse à laquelle leau se déplace. Leau froide contient plus doxygène dissous que leau plus chaude. De plus, la salinité, le courant et la marée peuvent être des facteurs abiotiques importants dans les écosystèmes aquatiques.

Autres facteurs terrestres

Figure 7. Les cônes matures du pin gris ne souvrent que lorsquils sont exposés à des températures élevées, comme lors dun incendie de forêt. (crédit: USDA)

Le vent peut être un facteur abiotique important car il influence le taux dévaporation et de transpiration.La force physique du vent est également importante car elle peut déplacer le sol, leau ou dautres facteurs abiotiques, ainsi que les organismes dun écosystème.

Le feu est un autre facteur terrestre qui peut être un important agent de perturbation terrestre écosystèmes. Certains organismes sont adaptés au feu et ont donc besoin de la chaleur élevée associée au feu pour terminer une partie de leur cycle de vie. Par exemple, le pin gris (Pinus banksiana) – un conifère – a besoin de la chaleur du feu pour que ses cônes de graines souvrent. Un feu est susceptible de tuer la plupart de la végétation, donc un semis qui germe après un feu est plus susceptible de recevoir suffisamment de lumière du soleil quun semis qui germe dans des conditions normales. En brûlant les aiguilles de pin, le feu ajoute de lazote au sol et limite la compétition en détruisant les sous-bois.

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