Diversité communautaire

Les populations ne vivent pas isolées, c’est pourquoi chaque population interagit avec les autres d’une certaine manière. Ces interactions donnent naissance à un réseau de populations. Par conséquent, une communauté écologique est composée de tels réseaux de population de diverses espèces qui interagissent les unes avec les autres au sein d’une même zone. Ces composants biologiques, ou biotiques, peuvent également interagir étroitement avec des composants non vivants, ou abiotiques, formant un écosystème. Les écosystèmes peuvent être aussi petits que les communautés microbiennes à l’intérieur du tube digestif humain, structurés par le pH et les nutriments de leur environnement, ou aussi grands qu’une forêt contenant des arbres et des insectes étroitement liés par le cycle du carbone. Les écologistes et les défenseurs de l’environnement s’intéressent de plus en plus aux écosystèmes alors que les humains continuent d’y apporter des changements majeurs à l’échelle mondiale en raison de l’urbanisation et du changement climatique. Les modifications apportées à un seul composant d’un écosystème peuvent affecter d’autres composants étroitement liés, ce qui peut entraîner des changements radicaux dans l’ensemble du système. Pour ces raisons, la quantification et la prédiction de la « santé » actuelle et future des écosystèmes sont devenues un sujet majeur de la recherche écologique.

Biodiversité

Le terme « santé des écosystèmes » est métaphorique parce qu’il est difficile de comparer la santé d’écosystèmes très différents et qu’il n’existe pas de valeur unique qui puisse être utilisée pour quantifier la santé d’un écosystème. Par exemple, les déserts et les forêts ont des diversités d’espèces très différentes, mais l’une n’est pas nécessairement plus saine que l’autre. Par conséquent, plusieurs paramètres ont été formulés pour représenter la santé d’un écosystème, et leur utilisation dépend des objectifs de l’étude. Par conséquent, la « santé de l’écosystème » peut faire référence à la valeur d’un écosystème pour les humains. Par exemple, la valeur des services écosystémiques tels que la séquestration du carbone par les arbres ou la pollinisation par les abeilles est utilisée pour quantifier la santé des écosystèmes. D’autres paramètres peuvent mesurer le nombre d’espèces rares trouvées dans un écosystème, la résistance d’un écosystème au feu ou d’autres mesures de facteurs biotiques et abiotiques. Pour les écologistes, une mesure de santé très populaire est celle de la diversité biologique, ou « biodiversité ». La biodiversité est une mesure de la variété des espèces biologiques présentes dans une zone et peut être calculée à l’aide de l’indice de biodiversité de Shannon-Wiener.

L’indice de Shannon-Wiener nécessite deux mesures de la part d’une communauté locale : la richesse en espèces et la régularité. La richesse en espèces est le nombre total d’espèces distinctes au sein d’une communauté locale. Une zone sans espèce présente, comme un parking fraîchement pavé, aurait une valeur de richesse de 0. Les forêts tropicales, connues pour soutenir certaines des communautés les plus diversifiées de la planète, ont une richesse en espèces beaucoup plus grande. Bien que la présence de nombreuses espèces coïncide généralement avec un écosystème diversifié et sain, l’uniformité doit également être prise en compte. Par exemple, lorsqu’une espèce domine la zone alors que les autres sont très rares, la biodiversité dans cette zone est plus faible que dans une zone où les espèces sont tout aussi abondantes. Par conséquent, les zones avec de nombreuses espèces qui sont relativement égales en abondance ont les scores les plus élevés de biodiversité.

Shannon-Wiener n’est pas la seule mesure de la biodiversité et de la santé de l’écosystème. Par exemple, un indice populaire, appelé indice EPT, est utilisé pour déterminer la qualité de l’eau dans les systèmes fluviaux en attribuant des valeurs de salubrité à des organismes individuels. Plus précisément, cet indice prend en compte trois ordres d’invertébrés sensibles aux polluants trouvés dans les rivières, les éphéméroptères (éphéméroptères (éphémères), les plécoptères (mouches des pierres) et les trichoptères (phryganes). La présence de ces espèces intolérantes aux polluants dans un cours d’eau est utilisée comme une indication de la bonne qualité de l’eau et de la santé de l’écosystème en question.

Souvent, les zones écologiquement pertinentes sont trop grandes pour être échantillonnées dans leur intégralité. Pour résoudre ce problème, les écologistes échantillonnent plusieurs parcelles plus petites dans toute la zone d’étude à l’aide de quadrats, qui sont de petits cadres d’une taille prédéterminée placés à des points du site d’étude, dans lesquels un chercheur identifie et enregistre tous les individus des espèces d’intérêt. Lorsqu’un nombre suffisant d’échantillons de quadrats sont pris en compte, les scientifiques peuvent extrapoler pour faire des estimations précises des communautés écologiques.

Impacts des changements écologiques

La plupart des changements écologiques naturels se produisent sur une longue échelle de temps. De plus, les humains continuent de modifier les écosystèmes. Pour évaluer les changements à long terme dans les écosystèmes, les scientifiques ont mis en place des sites de recherche écologique à long terme (LTER). L’un des LTER les plus anciens est la forêt expérimentale de Hubbard Brook située dans le New Hampshire, aux États-Unis. Ce site et d’autres ont permis d’accroître les connaissances sur les modèles d’échelle des écosystèmes résultant de la déforestation, des changements dans les régimes hydrologiques et d’autres perturbations écologiques à long terme¹.

Lorsqu’un changement majeur se produit très rapidement, on parle de perturbation écologique. Les incendies, les ouragans et les inondations sont des exemples de perturbations écologiques. Les perturbations peuvent modifier un écosystème en anéantissant les nutriments et en modifiant la composition de la communauté biologique. Après une perturbation, les espèces les plus résistantes et les plus résilientes sont favorisées pour la survie. Une espèce ou une communauté résistante est une espèce qui peut survivre à des perturbations majeures avec un minimum de inconvénients et se remettre rapidement d’une perturbation, comme les pissenlits après la tonte d’une pelouse. Il est impossible d’échantillonner un site pendant de nombreuses années avant et après les perturbations, mais la comparaison de différentes zones avec différents régimes de perturbation offre une solution partielle à ce problème.

Les habitats perturbés sont généralement fragmentaires ; par conséquent, l’utilisation de quadrats placés au hasard peut entraîner une sous-représentation des espèces et des estimations erronées de la biodiversité. Pour cette raison, il est essentiel de tenir compte de l’environnement et de certaines des caractéristiques de l’habitat étudié. Ceci est accompli en écologie du paysage en étudiant à la fois les habitats principaux et les habitats de bordure. Un habitat principal est situé au centre d’une parcelle, entouré du même type d’habitat. En revanche, un habitat de lisière, également connu sous le nom d’habitat limite, borde un type d’habitat différent. Les habitats de lisière, comme l’intersection d’un habitat forestier et d’un habitat de pré-pré, peuvent avoir une biodiversité accrue parce que des espèces des deux types d’habitat peuvent s’y trouver. De telles différences de biodiversité à la lisière des habitats sont appelées effets de bordure. Pour évaluer ces zones de transition, les écologistes utilisent des chemins le long des habitats, appelés transects, et enregistrent la biodiversité de petits sites d’échantillonnage à intervalles réguliers le long du chemin. Cependant, tous les habitats n’auront pas d’effets de bordure et parfois les espèces de bordure sont envahissantes et peuvent pousser dans un plus large éventail d’habitats, ce qui n’est pas indicatif d’un écosystème « sain ».

En plus des mesures des espèces, les scientifiques peuvent également prendre des mesures des composants chimiques d’un écosystème pour évaluer sa santé. Par exemple, ils peuvent vérifier la pollution ou examiner la qualité du sol en mesurant les nutriments présents. Cette information peut également être utile pour aider à expliquer les changements dans les modèles de biodiversité dans différentes régions d’une communauté. Il existe également de nombreuses variables, notamment la température, les précipitations sur une certaine période et les traits fonctionnels de l’espèce, qui seraient difficiles à mesurer et nécessiteraient des analyses statistiques avancées. Les écologistes travaillent constamment sur de nouvelles façons d’enregistrer ces variables à de plus grandes échelles de temps et d’espace. Cela a donné lieu à de nouvelles méthodes telles que la télédétection des écosystèmes, dans laquelle l’imagerie satellitaire est utilisée pour estimer des variables d’intérêt sur l’ensemble du globe². Ces données nécessitent l’utilisation de statistiques multivariées et d’autres outils mathématiques complexes qui sont continuellement développés.

Alors que les populations humaines continuent de croître et de modifier les écosystèmes dans le monde entier, les scientifiques et les citoyens concernés s’efforcent de conserver et de préserver les écosystèmes menacés. L’une des façons de restaurer des écosystèmes fortement altérés est la bioremédiation, qui implique la libération d’organismes biologiques, généralement des micro-organismes, pour décomposer les polluants et restaurer les traits favorables à un écosystème³. Un exemple de cela est la libération de micro-organismes dans les eaux usées pour décomposer la pollution et restaurer l’eau à un état habitable pour les poissons⁴. Par conséquent, des moyens inventifs de restaurer les écosystèmes deviendront de plus en plus importants pour remédier aux effets de l’homme sur les écosystèmes.

Références

1. Likens, Gene E. Cinquante ans de données continues sur les précipitations et la chimie des cours d’eau tirées de l’étude de l’écosystème du ruisseau Hubbard (1963-2013). écologie. Vol. 98 , 8 : 2224.
2. Zhaoqin Li, Dandan Xu, Xulin Guo. La télédétection de la santé des écosystèmes : possibilités, défis et perspectives d’avenir. Capteurs (Bâle). 2014, vol. 14(11) : 21117 à 21139.
3. Garbisu, Itziar Alkorta Lur Epelde Carlos. Les paramètres environnementaux modifiés par le changement climatique affectent l’activité des microorganismes du sol impliqués dans la biorestauration. Lettres de microbiologie FEMS. 2017, vol. 364, 19.
4. P. Padmavathi, K. Sunitha, K. Veeraiah. Efficacité des probiotiques dans l’amélioration de la qualité de l’eau et de la flore bactérienne dans les étangs piscicoles. Afr. J. Microbiol. Res. 2012, 6(49). 7471 à 7478.

Un écosystème est une communauté de composants vivants et non vivants qui interagissent dans une zone. Celle-ci peut être aussi grande que la terre elle-même ou une forêt pleine de plantes et d’animaux, ou aussi petite qu’un estomac avec son éventail d’habitants microbiens. La santé de l’écosystème peut être mesurée de différentes façons, mais la biodiversité est un bon indicateur, c’est-à-dire la mesure de la variété des espèces biologiques d’un écosystème.

Nous pouvons évaluer la biodiversité à l’aide d’une mesure appelée l’indice de Shannon-Wiener, proposée par Claude Shannon et Norbert Wiener dans les années 1940. L’indice de Shannon-Wiener est une mesure sans unité, calculée comme H. L’indice utilise deux variables : la richesse en espèces, ou le nombre d’espèces présentes, indiqué par K, et la régularité des espèces, ou la proportion de chaque espèce, indiquée par PI. La richesse en espèces est le nombre d’espèces uniques dans un écosystème. Cet exemple en a sept. L’uniformité des espèces mesure la répartition des espèces d’un écosystème. Cela signifie qu’un écosystème dans lequel les différentes espèces ont des nombres similaires est plus égal qu’un écosystème où une ou deux espèces représentent la plupart des organismes, comme celui-ci, relativement envahi par les lièvres.

Maintenant que nous savons ce qu'il faut mesurer, apprenons à mesurer la biodiversité. Comme les écosystèmes peuvent être immenses, les écologistes ont dû trouver des moyens d’échantillonner rapidement de grandes zones au hasard. Le plus simple d’entre eux est le quadrat, qui est une base de sondage de taille fixe, généralement placée au hasard dans un site d’échantillonnage. Les scientifiques étudient la zone à l’intérieur du quadrat, enregistrant la richesse des espèces et leur uniformité. À l’aide de ces petites fenêtres placées à plusieurs endroits sur un écosystème, ils peuvent extrapoler leurs résultats pour donner des estimations de diversité pour l’ensemble de la zone d’étude. Mais bien que cette technique permette une évaluation gérable d'une grande surface, elle n'est pas parfaite. Le placement aléatoire des quadrants peut manquer des individus, ce qui entraîne une sous-représentation des espèces et des estimations erronées de la biodiversité.

Cette limitation signifie que certaines communautés, en particulier celles qui sont inégales ou non uniformes, sont mieux échantillonnées par une approche plus structurée. Ici, notre prairie borde la forêt et, en réalité, se compose de différentes parcelles d’habitat. Pour couvrir équitablement cette communauté, nous pouvons diviser le paysage en habitats principaux et, surtout, en habitats de bordure. Souvent, les zones de lisière ont plus de biodiversité parce que des espèces des deux types d’habitat peuvent y vivre. Mais cela peut passer inaperçu dans l’échantillonnage aléatoire traditionnel. Au lieu de cela, pour mesurer la biodiversité dans une communauté comme celle-ci, une bonne stratégie peut être d’échantillonner d’abord les zones centrales au hasard à l’aide de quadrats. Les données recueillies peuvent ensuite être utilisées pour calculer la valeur H de chaque habitat principal. Ensuite, un transect ou une ligne d’échantillonnage peut être posé à travers chaque habitat principal, s’étendant jusqu’à la lisière. La richesse et la régularité des espèces peuvent ensuite être enregistrées à l’aide de quadrats placés à des points fixes le long de ces lignes. Maintenant, en utilisant la formule de Shannon-Wiener, l’indice de diversité peut être calculé pour chaque distance le long du transect, et ceux-ci peuvent être comparés. Une aire avec une valeur H supérieure est généralement plus diversifiée qu’une aire avec un H inférieur. Cette technique combinée de quadrat aléatoire et de transect donne une évaluation polyvalente et plus juste de la façon dont les différents habitats au sein d’une même communauté se comparent en termes de diversité.

En plus des mesures des espèces, les scientifiques peuvent également prendre des mesures des composants chimiques d’un écosystème pour évaluer sa santé. Par exemple, ils peuvent vérifier la pollution ou examiner la qualité du sol en mesurant les nutriments présents. Cette information peut également être utile pour aider à expliquer les changements dans les modèles de biodiversité dans différentes régions d’une communauté. Ainsi, dans notre exemple, si le sol de la prairie est de moins bonne qualité que celui de la forêt et de la lisière, il se peut qu’il y ait moins d’espèces.

Dans cet atelier, vous allez mesurer la biodiversité et la qualité du sol dans deux régions centrales différentes, puis examiner comment la biodiversité est affectée le long d'un habitat de lisière.