Fiche de révision : Biodiversité et estimation des populations

📋 Plan du Cours

1. Échelles et inventaire de la biodiversité
2. Échantillonnage et estimation de la biodiversité
3. Estimation des effectifs par CMR
4. Précision des fréquences échantillonnées
5. Composition génétique des populations
6. Équilibre de Hardy-Weinberg
7. Forces évolutives et populations
8. Mesurer la biodiversité
9. Estimer un effectif animal
10. Fragmentation et conservation

📖 1. Échelles et inventaire de la biodiversité

📝 Points essentiels

• En 2019, 1 700 000 espèces étaient connues, mais la biodiversité terrestre pourrait comprendre des millions, voire des milliards d'espèces.

• La biodiversité s'organise à trois échelles :

  • la diversité des écosystèmes
  • la diversité spécifique
  • la diversité génétique

📖 2. Échantillonnage et estimation de la biodiversité

🔑 Notions clés & Définitions

• Richesse spécifique : Le nombre d'espèces présentes dans un milieu donné.
• Quadrat : Une surface carrée ou rectangulaire délimitée au sol, dans laquelle toutes les espèces présentes et identifiables sont relevées de façon exhaustive.
• Transect : Un trajet linéaire suivi à travers un écosystème, le long duquel l'ensemble des êtres vivants observés est recensé.
• Barcoding moléculaire : Identifie une espèce en comparant une partie de son ADN aux séquences connues d'une banque de données.
• Métabarcoding : Identifie les espèces présentes dans un milieu étudié en analysant l'ADN qui en est extrait et en le comparant à une banque de séquences.

★ À maîtriser

• À Avaro, le site orienté sud où la neige fond à la mi-mai compte 22 espèces recensées, contre 7 au site orienté nord où la fonte des neiges a lieu fin juillet.

• Les estimations mondiales présentées sont de 9 920 000 espèces de métazoaires pour 1 124 516 décrites, de 616 320 espèces d'eumycètes pour 44 368 décrites, et de 314 600 espèces d'angiospermes pour 224 244 décrites.

Compléments

• De 1997 à 1999, les chercheurs ont échantillonné 75 quadrats de 5 × 5 m dans une prairie alpine de 20 000 m² à Avaro, au col du Galibier.

• La richesse spécifique observée dans un milieu dépend notamment de ses caractéristiques d'échantillonnage, telles que l'altitude, l'exposition, la profondeur et les conditions physico-chimiques.

• Le barcoding et le métabarcoding sont coûteux et ne peuvent pas remplacer les observations de terrain.

• Les estimations du nombre total d'espèces à partir des taxons connus dépendent des méthodes de calcul choisies et sont moins fiables pour les organismes difficiles à étudier, comme les bactéries.

• Les données récentes suggèrent l'existence de plusieurs centaines de milliards d'espèces de bactéries.

💡 Astuce mémo

Le quadrat délimite une surface ; le transect suit un trajet.

📖 3. Estimation des effectifs par CMR

★ À maîtriser

• La méthode de capture-marquage-recapture consiste à capturer et marquer des individus, à les relâcher, puis à effectuer une seconde capture et à compter les individus marqués recapturés.

📐 Formule - L'indice de Lincoln-Petersen estime la taille de la population par $N = \frac{n_1 \times n_2}{p}$, où $n_1$ est le nombre d'individus capturés et marqués lors de la première session, $n_2$ le nombre capturé lors de la seconde et $p$ le nombre de marqués parmi ces derniers.

• Avec 82 individus marqués à la première capture, 67 capturés à la seconde et 2 marqués recapturés, l'estimation de la population d'opossums est $N = \frac{82 \times 67}{2} = 2\,747$ individus.

Compléments

• En 2019, l'étude d'opossums a capturé et marqué 82 individus lors de la première session, puis capturé 67 individus deux semaines plus tard, dont 2 portaient une marque.

• En 2019, 149 captures d'opossums, dont 2 recaptures, correspondent à 147 individus distincts observés.

• Après les feux de végétation de février-mars 2009 dans l'État de Victoria, l'effectif suivi de la population d'opossums est passé de 3 314 en 2008 à 1 209 en 2009.

• Dans l'exercice sur les poissons, 150 individus sont marqués, puis 200 sont capturés, dont 30 marqués, et 38 % des poissons capturés lors de la seconde pêche sont des femelles.

• Dans l'exercice sur les oiseaux, 120 individus sont bagués, puis 180 sont capturés, dont 24 bagués, et 62 % des individus de la seconde capture sont des juvéniles.

💡 Astuce mémo

Capturer, marquer, relâcher, puis recapturer.

📖 4. Précision des fréquences échantillonnées

🔑 Notions clés & Définitions

• Fluctuation d'échantillonnage : La variation de la fréquence observée d'un échantillon à l'autre.
• Intervalle de confiance : Une fourchette de valeurs dans laquelle la fréquence réelle d'une population a de fortes chances de se trouver, plutôt qu'une valeur unique déduite d'un échantillon.

★ À maîtriser

• Un intervalle de confiance à 95 % signifie que, si l'échantillonnage était répété un grand nombre de fois, 95 % des intervalles obtenus contiendraient la fréquence réelle de la population.

📐 Formule - Pour une expérience à deux issues, la fréquence réelle est estimée dans l'intervalle $F \in \left[f-\frac{1}{\sqrt{n}}\,;\,f+\frac{1}{\sqrt{n}}\right]$, où $f$ est la fréquence observée et $n$ la taille de l'échantillon.

Compléments

• Dans le cadre d'un seuil de confiance de 95 %, au maximum 5 % des intervalles obtenus ne contiendraient pas la fréquence réelle de la population.

📌 Pour calculer l'intervalle de confiance de l'étude des opossums, la taille de l'échantillon est $n = n_1 + n_2 - p$, car les individus recapturés sont comptés dans les deux sessions.

📖 5. Composition génétique des populations

🔑 Notions clés & Définitions

• Population : Christina Vassiliadis - L'ensemble des individus d'une même espèce vivant au même endroit, capables de se reproduire entre eux et partageant un même patrimoine génétique.
• Génétique des populations : Christina Vassiliadis - Étudie la répartition et l'évolution des fréquences alléliques au sein des populations sous l'influence des pressions évolutives et du régime de reproduction.
• Fréquence allélique : Christina Vassiliadis - La fréquence d'une version donnée d'un gène dans une population.
• Fréquence génotypique : Christina Vassiliadis - La fréquence des génotypes dans une population.

📝 Points essentiels

• La composition génétique d'une population peut évoluer sous l'effet de : (Christina Vassiliadis) : la sélection naturelle, la dérive génétique, les mutations, les migrations, le régime de reproduction, avec des croisements aléatoires ou non

💡 Astuce mémo

La fréquence allélique porte sur les allèles ; la fréquence génotypique porte sur les génotypes.

📖 6. Équilibre de Hardy-Weinberg

★ À maîtriser

• La loi de Hardy-Weinberg suppose une population isolée, d’effectif illimité, sans sélection naturelle ni mutation, où les accouplements sont aléatoires.

📐 Formule - À l’équilibre de Hardy-Weinberg, les fréquences génotypiques attendues sont $f(R//R)=p^2$, $f(R//B)=2pq$ et $f(B//B)=q^2$, avec $p+q=1$ et $p^2+2pq+q^2=1$.

• Si les conditions de Hardy-Weinberg sont respectées, les fréquences alléliques et génotypiques d’un gène restent constantes à partir de la génération suivant celle des parents.

Compléments

📐 Formule - Pour les génotypes R//R, R//B et B//B, les fréquences alléliques se calculent par $f(R)=f(R//R)+\frac{1}{2}f(R//B)$ et $f(B)=f(B//B)+\frac{1}{2}f(R//B)$.

• Un écart entre les fréquences génotypiques observées et celles prédites par Hardy-Weinberg indique que la population n’est pas à l’équilibre pour le gène étudié.

📖 7. Forces évolutives et populations

🔑 Notions clés & Définitions

• Dérive génétique : Variation aléatoire des fréquences alléliques d’une génération à l’autre, particulièrement forte dans les petites populations, où elle peut entraîner la disparition ou la fixation d’allèles.
• Sélection naturelle : Augmentation de la transmission des allèles associés à des caractères avantageux dans un environnement, car leurs porteurs ont davantage de chances de survivre et de se reproduire.
• Mutation : Modification aléatoire de la séquence d’ADN qui peut créer un nouvel allèle ; si elle survient dans une cellule reproductrice, elle peut être transmise à la descendance.
• Migration : Échange de reproducteurs entre populations ; l’immigration ou l’émigration modifie le pool génétique et les fréquences alléliques de la population concernée.

📝 Points essentiels

• L’appariement non aléatoire des partenaires est une force évolutive susceptible d’écarter une population de l’équilibre théorique de Hardy-Weinberg. - C. Vassiliadis

• Dans les scénarios proposés, une tempête éliminant au hasard une partie d’un petit troupeau illustre la dérive génétique, une prédation différenciée illustre la sélection naturelle, l’introduction de poissons d’un lac voisin illustre la migration, une erreur de copie de l’ADN illustre la mutation et le choix des partenaires selon leur chant illustre l’appariement non aléatoire.

💡 Astuce mémo

Petite population → dérive génétique plus forte

📖 8. Mesurer la biodiversité

🔑 Notions clés & Définitions

• Richesse spécifique : Nombre d’espèces présentes dans un milieu ; environ 2 millions d’espèces sont décrites dans le monde, contre près de 10 millions estimées au total.
• Abondance : Nombre d’individus d’une même espèce dans une population donnée.
• Abondance relative : Proportion d’individus de chaque espèce par rapport à l’ensemble des individus de toutes les espèces présentes dans un milieu.

📝 Points essentiels

• Les quadrats recensent les espèces dans une surface délimitée, tandis que les transects les recensent le long d’un trajet.

• Le barcoding moléculaire identifie une espèce en comparant une courte séquence de son ADN à une banque de données de référence.

📖 9. Estimer un effectif animal

★ À maîtriser

• Pour estimer l’effectif d’une population par capture-marquage-recapture, on capture et marque sans leur nuire n₁ individus, on les relâche, puis on recapture n₂ individus et on compte p individus déjà marqués.

📐 Formule - L’effectif estimé par capture-marquage-recapture est $N=\frac{n_1n_2}{p}$, où n₁ est le nombre initialement marqués, n₂ le nombre recapturé et p le nombre de marqués dans la seconde capture.

Compléments

📐 Formule - Pour un échantillon de taille n où la fréquence mesurée est f, l’intervalle de confiance à 95 % de la fréquence réelle F est $F\in\left[f-\frac{1}{\sqrt n};f+\frac{1}{\sqrt n}\right]$.

💡 Astuce mémo

Capturer → marquer et relâcher → recapturer

📖 10. Fragmentation et conservation

★ À maîtriser

• Le morcellement des habitats par les infrastructures réduit les surfaces vitales et interrompt les voies de déplacement des organismes.

• La séparation des populations en petits effectifs isolés accroît leur vulnérabilité aux aléas et renforce la dérive génétique, ce qui peut réduire leur diversité génétique et leur capacité d’adaptation.

Compléments

• Les corridors écologiques reconnectent les milieux, tandis que les réservoirs de biodiversité protègent les zones cœur et qu’une gestion durable s’appuie sur le suivi scientifique.

• Les mesures de conservation du lynx ibérique comprennent l’élevage et la réintroduction pour créer des populations et assurer un brassage génétique, la protection des lapins qui représentent près de 90 % de son alimentation, ainsi que l’installation d’écoducs et de clôtures pour réduire les collisions routières.

💡 Astuce mémo

Fragmentation → isolement → perte de diversité génétique