Fiche de révision : Biogéographie et macroécologie

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la biogéographie
2. Approches et échelles macroécologiques
3. Histoire de la biogéographie
4. Règles et patrons écogéographiques
5. Diversité et aire géographique
6. Filtres, niches et communautés
7. Diversités alpha bêta gamma
8. Diversités taxonomique et fonctionnelle
9. Métacommunautés et neutralité
10. Modélisation et données macroécologiques
11. Homogénéisation biotique

📖 1. Fondements de la biogéographie

🔑 Notions clés & Définitions

• Biogéographie : science qui documente et cherche à comprendre les patrons spatiaux de la diversité biologique
• Macroécologie : recherche des règles générales à partir d’entités écologiques agrégées, comme les communautés, les assemblages ou les aires de distribution, constituées de nombreuses espèces ou individus

★ À maîtriser

📌 La biogéographie traditionnelle étudiait principalement la distribution passée ou actuelle des organismes, alors que la biogéographie moderne analyse les patrons géographiques du vivant depuis les gènes jusqu’aux écosystèmes entiers.

Compléments

• La macroécologie vise à identifier les principes généraux ou les lois naturelles qui régissent la structure et le fonctionnement des entités composant les écosystèmes.

💡 Astuce mémo

Biogéographie traditionnelle : distributions ; biogéographie moderne : patrons du vivant, des gènes aux écosystèmes

📖 2. Approches et échelles macroécologiques

★ À maîtriser

• L’approche réductionniste explique les patrons à large échelle à partir de l’étude de processus à petite échelle, tandis que l’approche non-réductionniste explique les propriétés émergentes du système à partir d’études principalement empiriques.

• Une étude relève de la macroécologie lorsqu’elle mobilise au moins une large échelle spatiale, temporelle ou taxonomique.

• L’approche inductive part des observations pour construire des généralisations ou des hypothèses, tandis que l’approche déductive part d’une théorie pour tester des hypothèses sur des observations.

Compléments

• Les analyses macroécologiques intègrent très souvent une perspective géographique et historique pour étudier les patrons d’abondance et de diversité spécifique ou fonctionnelle.

💡 Astuce mémo

Réductionnisme : petites échelles vers le global ; non-réductionnisme : propriétés émergentes du système

📖 3. Histoire de la biogéographie

★ À maîtriser

• La phase d’exploration de la biogéographie s’étend de 1700 à 1900 et accompagne les grandes explorations ainsi que la découverte de nouvelles espèces.

• Alexander von Humboldt est présenté comme le père fondateur de la phytogéographie pour avoir relié les conditions climatiques aux types de végétation dans différentes régions du monde.

• Alfred Russel Wallace a repris la théorie de la sélection naturelle et est présenté comme le père de la zoogéographie après avoir redéfini six régions biogéographiques pour plusieurs groupes animaux.

• Alfred Wegener a proposé que la Pangée formait un supercontinent il y a 300 millions d’années, avant la dérive des continents liée aux plaques tectoniques.

• La théorie insulaire de MacArthur et O. Wilson relie la richesse spécifique d’une île à sa taille et à son taux de migration. - MacArthur et O Wilson, théorie insulaire de la biogéographie

• La théorie neutre de la biodiversité et de la biogéographie de Steve Hubbell repose sur l’équivalence des espèces, la stochasticité démographique et une immigration limitée.

Compléments

• Carl von Linné est présenté comme le père fondateur de la nomenclature et de la taxonomie et défend l’hypothèse d’une dispersion des espèces depuis le mont Ararat après l’arrivée de l’arche de Noé.

• La phase de compréhension s’étend de 1900 à 1950 et cherche à expliquer les causes des distributions observées.

• Depuis 1950, la biogéographie devient davantage prédictive et teste des hypothèses écologiques et évolutives, notamment sur la niche et la coexistence des espèces.

💡 Astuce mémo

Exploration (1700-1900) → compréhension (1900-1950) → maturité (depuis 1950)

📖 4. Règles et patrons écogéographiques

★ À maîtriser

• La règle de Buffon affirme que des régions ayant un environnement similaire peuvent présenter des stratégies physiologiques semblables tout en abritant des espèces différentes.

• La règle de Bergmann décrit une tendance à l’augmentation de la biomasse corporelle moyenne des populations géographiques d’une espèce avec la latitude, surtout chez les vertébrés.

• La règle d’Allen associe des appendices externes plus courts dans les régions polaires à une diminution de la déperdition de chaleur.

• Les hypothèses relèvent de trois composantes :

  • spatiale et environnementale
  • historique
  • biotique ou liée à la niche

Compléments

• Les hypothèses principales sont :
  • climatique
  • hétérogénéité du paysage
  • disponibilité en énergie

📌 La règle de Rapoport indique que la distribution géographique des espèces tend à augmenter avec la latitude.

💡 Astuce mémo

Latitude et environnement → morphologie, aire de répartition et diversité

📖 5. Diversité et aire géographique

★ À maîtriser

📐 Formule - La relation aire-espèces s’écrit $S = cA^z$ ou $\ln S = \ln C + z\ln A$, où S est le nombre d’espèces, A l’aire de la région, et C et z des constantes estimées à partir de données empiriques.

📌 Plus l’aire considérée est grande, plus la probabilité de rencontrer de nouvelles espèces augmente.

• Les variables de biodiversité comprennent :
  • la composition génétique
  • les populations
  • la fragmentation
  • les taux d’extinction et de spéciation
  • la richesse spécifique

Compléments

• La relation aire-espèces s’explique notamment par : les taux d’extinction et de spéciation, l’augmentation de la diversité des habitats avec l’aire, le biais statistique d’échantillonnage

• Les variables climatiques comprennent :

  • les variables atmosphériques
  • les variables océaniques
  • les variables terrestres

📖 6. Filtres, niches et communautés

🔑 Notions clés & Définitions

• Niche écologique : ensemble des conditions biotiques et abiotiques nécessaires à la croissance, à la survie et à la reproduction des individus d’une espèce
• Communauté : ensemble de populations d’espèces différentes vivant dans un même milieu à un moment donné et pouvant interagir entre elles

📝 Points essentiels

• 🔄 L’installation d’une espèce passe par trois filtres successifs :
  1. filtre historique à l’échelle continentale
  2. filtre environnemental à l’échelle régionale
  3. interactions entre espèces à l’échelle locale

📌 La niche fondamentale est la niche qu’une espèce peut occuper en l’absence de compétition interspécifique et de prédation, tandis que la niche réalisée est la partie effectivement occupée en leur présence.

📌 Deux populations ayant la même niche alimentaire ou d’habitat ne peuvent pas coexister durablement, ce qui conduit soit à une absence de cooccurrence, soit à une réduction de niche.

• Les communautés peuvent être dominées par des espèces redondantes sous l’effet principal de l’environnement, par des espèces dissimilaires sous l’effet principal des interactions, ou présenter un patron neutre résultant de facteurs multiples.

💡 Astuce mémo

Filtre historique → filtre environnemental → interactions entre espèces

📖 7. Diversités alpha bêta gamma

🔑 Notions clés & Définitions

• Diversité alpha : nombre ou diversité moyenne des espèces dans une communauté locale
• Diversité bêta : renouvellement ou dissimilarité de la composition en espèces entre des communautés ou le long d’un gradient environnemental
• Diversité gamma : diversité régionale, calculée comme la diversité moyenne ou totale des communautés d’une région

★ À maîtriser

📐 Formule - La décomposition additive de la diversité s’écrit $\gamma = \alpha + \beta$, où α représente la diversité locale, β le renouvellement entre communautés et γ la diversité régionale.

Compléments

📐 Formule - La décomposition multiplicative de la diversité s’écrit $\gamma = \alpha \times \beta$ et est associée à Whittaker, tandis que la décomposition additive est associée à Lande.

💡 Astuce mémo

α : combien dans un site ; β : différence entre sites ; γ : total régional

📖 8. Diversités taxonomique et fonctionnelle

★ À maîtriser

📌 La diversité spécifique mesure le nombre d’espèces ou d’OTU, la diversité taxonomique compare les espèces selon leur classification, la diversité fonctionnelle compare leurs traits, et la diversité phylogénétique compare leurs distances évolutives.

• La diversité taxonomique répond à la question « qui est présent ? » et peut considérer les espèces, les genres et les familles.

• La diversité fonctionnelle répond à la question « que font les espèces ? » à partir de traits comme la taille, le régime alimentaire, la hauteur, le type de dispersion et la stratégie de reproduction.

• La diversité phylogénétique mesure à quel point les espèces sont éloignées évolutivement à partir d’un arbre phylogénétique et de leurs ancêtres communs.

Compléments

• Les distances moyennes sont résumées par MTD pour la diversité taxonomique, MFD pour la diversité fonctionnelle et MPD pour la diversité phylogénétique.

💡 Astuce mémo

TD : qui est présent ; FD : que font les espèces ; PD : d’où viennent-elles évolutivement

📖 9. Métacommunautés et neutralité

🔑 Notions clés & Définitions

• Métacommunauté : ensemble de communautés locales spatialement distinctes, reliées par la dispersion d’individus d’espèces différentes

★ À maîtriser

• Les quatre paradigmes sont :
  • dynamique des patches
  • species sorting
  • effets de masse
  • théorie neutre

📌 Dans la dynamique des patches, les habitats sont homogènes et la dispersion permet la colonisation puis l’extinction ou la compétition, tandis que dans le species sorting les habitats sont hétérogènes et filtrent les espèces.

📌 Dans les effets de masse, une forte immigration peut maintenir une espèce dans un habitat localement défavorable.

• Les trois hypothèses de Hubbell sont :
  • l’équivalence fonctionnelle
  • le zéro-somme
  • la limitation en dispersion

Compléments

📐 Formule - Dans la théorie neutre, la diversité de la métacommunauté vérifie $\theta = f(v,J_m)$, où v est le taux régional de spéciation et Jm la taille de la métacommunauté.

💡 Astuce mémo

Niche : différences entre espèces ; neutralité : équivalence et hasard

📖 10. Modélisation et données macroécologiques

★ À maîtriser

• Les principaux termes de modélisation sont :

  • SDM : modèles de distribution d’espèce
  • ENM : modèles de niche écologique
  • HSM : modèles de qualité d’habitat
  • CEM : modèles d’enveloppe climatique

• La modélisation macroécologique vise à décrire la distribution des espèces, à expliquer ses déterminants, puis à prédire les modifications futures ou les habitats favorables.

• Les données nécessaires comprennent notamment :

  • la biologie de l’espèce
  • l’alimentation
  • la niche thermique
  • les besoins spatiaux
  • les végétaux associés
  • les aires de répartition actuelles et passées
  • la couverture végétale

• Le GBIF fournit notamment des observations ponctuelles pouvant inclure la présence, l’absence et l’abondance, tandis que l’IUCN fournit des données géographiques et le statut de conservation des espèces dans la Liste Rouge.

Compléments

📌 Une analyse de données macroécologiques doit respecter les principes FAIR, identifier les biais et erreurs, et rester adaptée à la question scientifique et aux données disponibles.

• Il faut conserver :
  • les données brutes
  • les filtres utilisés
  • les données filtrées

💡 Astuce mémo

Décrire → expliquer → prédire

📖 11. Homogénéisation biotique

🔑 Notions clés & Définitions

• Homogénéisation biotique : augmentation de la similarité dans la composition des communautés

📝 Points essentiels

• Les causes comprennent : l’introduction d’espèces exotiques envahissantes, la modification des habitats, les changements climatiques, l’urbanisation, l’artificialisation

• À l’échelle locale, une communauté peut conserver un grand nombre d’espèces alors qu’à l’échelle régionale toutes les communautés peuvent devenir très similaires.

• La fragmentation des habitats peut diminuer la dispersion entre patches, réduire l’immigration et la recolonisation, augmenter les extinctions locales, puis être limitée par la création ou la restauration de corridors écologiques.

💡 Astuce mémo

Perturbations humaines → communautés plus similaires

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des facettes de la biodiversité

Paradigmes des métacommunautés