Sciences de la Vie — Université de Biologie

Écologie

L'écologie est la science des relations entre les organismes vivants et leur environnement — du gène à la biosphère. Elle étudie la structure, le fonctionnement et la dynamique des écosystèmes qui font de la Terre une planète habitée.

8.7 M espèces estimées sur Terre
~1 M espèces menacées d'extinction
71 % de la surface terrestre = océans
510 M km² surface de la biosphère

01 — Fondements

Définition et champ d'étude

Définition : le terme « écologie » (du grec oikos = maison, logos = étude) a été forgé par Ernst Haeckel en 1866. L'écologie étudie les interactions entre les organismes et leur environnement biotique (autres êtres vivants) et abiotique (lumière, température, eau, sol, nutriments).

L'écologie moderne est une science pluridisciplinaire qui articule la biologie, la chimie, la physique, la géologie et les sciences climatiques. Elle opère à des échelles allant de la cellule individuelle aux cycles géochimiques planétaires.

Les quatre questions fondamentales de l'écologie

Distribution

Où vivent les organismes ? Quels facteurs limitent leur répartition géographique — température, précipitations, sol, compétition ?

Abondance

En quelle quantité ? Quels mécanismes régulent la taille des populations — ressources, prédateurs, maladies, catastrophes ?

Interactions

Comment les espèces interagissent-elles entre elles — prédation, compétition, mutualisme, parasitisme ?

Flux

Quels flux d'énergie et de matière traversent les écosystèmes ? Comment les nutriments sont-ils recyclés ?

02 — Organisation

Niveaux d'organisation écologique

L'écologie opère à sept niveaux emboîtés, du plus simple au plus global :

NiveauDéfinitionExemples d'étude
IndividuOrganisme unique dans son environnementThermorégulation, comportement alimentaire, réponse au stress hydrique
PopulationIndividus d'une même espèce partageant un espaceDémographie, croissance, structure d'âge, dynamique prédateur-proie
CommunautéEnsemble des populations coexistant dans un lieuDiversité, compétition, successions, réseaux trophiques
ÉcosystèmeCommunauté + environnement abiotiqueFlux d'énergie, cycles biogéochimiques, productivité
PaysageMosaïque d'écosystèmes différentsFragmentation, corridors, méta-populations
BiomeZone climatique avec végétation caractéristiqueForêt tropicale, toundra, désert, steppe
BiosphèreEnsemble du vivant sur TerreCycles globaux du carbone, de l'azote, de l'eau

03 — Grands Milieux

Biomes terrestres et aquatiques

Un biome est une grande zone biogéographique définie par son climat et sa végétation dominante. Les biomes terrestres sont principalement délimités par la température et les précipitations annuelles.

🌿
Forêt tropicale humide
Précipitations >2 000 mm/an, T°>25 °C. Plus grande biodiversité terrestre (~50 % des espèces). Canopée à 4 strates. Amazonie, Congo, Asie du SE.
🌲
Forêt boréale (Taïga)
Plus grand biome terrestre (~11,5 M km²). Conifères dominants (épicéas, sapins, pins). Hivers longs (<-30 °C). Canada, Russie, Scandinavie.
🏜️
Déserts
Précipitations <250 mm/an. Chauds (Sahara) ou froids (Gobi). Faune et flore xérophytes avec adaptations à la sécheresse. ~33 % des terres émergées.
❄️
Toundra arctique
T° annuelle <0 °C. Permafrost, végétation rase (lichens, mousses, graminées). Élevée vulnérabilité au réchauffement — libération CH₄ des pergélisols.
🌊
Océans
71 % de la surface planétaire. Zones pélagiques et benthiques. Phytoplancton = 50 % de la photosynthèse mondiale. Productivité variable selon les upwellings.
🌾
Prairies et savanes
Graminées dominantes. Savanes africaines : grands troupeaux herbivores. Prairies tempérées : les sols les plus fertiles agricoles (steppes, pampas, grandes plaines).

Zones humides : des biomes à haute valeur

Marais, tourbières, mangroves et estuaires représentent moins de 9 % des terres émergées mais fournissent environ 40 % des services écosystémiques mondiaux. Ils stockent deux fois plus de carbone que les forêts tropicales à superficie égale.

04 — Fonctionnement

Structure et fonctionnement des écosystèmes

Flux d'énergie et niveaux trophiques

L'énergie entre dans l'écosystème via la photosynthèse (ou la chimiosynthèse) et se transfère de niveau en niveau selon la règle des 10 % :

I
Producteurs primaires (autotrophes)
Plantes, algues, phytoplancton, cyanobactéries — captent l'énergie solaire via la photosynthèse. Productivité primaire nette mondiale ≈ 120 Gt C/an.
II
Consommateurs primaires (herbivores)
Insectes phytophages, rongeurs, grands herbivores, zooplancton. Efficacité de transfert ≈ 10 % de l'énergie ingérée retenue.
III
Consommateurs secondaires (prédateurs I)
Carnivores mangeurs d'herbivores : renards, serpents, grenouilles, petits poissons. Perte 90 % d'énergie par respiration et métabolisme.
IV
Consommateurs tertiaires (prédateurs II)
Grands carnivores : loups, aigles, orques, requins. Faible densité de population — très sensibles aux perturbations.
D
Décomposeurs et détritivores
Bactéries, champignons, vers de terre — décomposent la matière organique morte, recyclent les nutriments. Indispensables à tous les niveaux du cycle.
Règle des 10 % (Lindeman, 1942) : seul ~10 % de l'énergie d'un niveau trophique est accessible au niveau suivant. Le reste est perdu sous forme de chaleur (respiration), en matière non assimilée ou dans les décomposeurs. C'est pourquoi une alimentation végétarienne est 10× plus efficace en termes d'énergie.

Productivité et décomposition

IndicateurDéfinitionValeur mondiale approx.
PPB (Prod. Primaire Brute)Photosynthèse totale (avant respiration)~220 Gt C/an
PPN (Prod. Primaire Nette)PPB – respiration des plantes~120 Gt C/an
PPB océaniquePhytoplancton principalement~50 % du total
Décomposition forestièreLibération CO₂ et nutrimentsÉquilibre avec PPN en forêt mature

05 — Démographie

Dynamique des populations

Croissance démographique

Deux modèles fondamentaux décrivent l'évolution de la taille d'une population au cours du temps :

Croissance exponentielle

Modèle de Malthus : dN/dt = rN. En l'absence de contraintes, une population croît exponentiellement à taux intrinsèque r. Typique des espèces pionnières ou des débuts de colonisation. Une seule bactérie → 5 × 10¹⁸ individus en 24 h (sans limite).

Croissance logistique

Modèle de Verhulst : dN/dt = rN(1 – N/K). La population atteint une capacité de charge K liée aux ressources disponibles. Sigmoïde caractéristique. Plus réaliste pour la plupart des populations naturelles.

Facteurs de régulation

TypeMécanismeEffet sur la densité
Densité-dépendantsCompétition intraspécifique, prédation, maladies, parasitismeRenforcé quand densité ↑ → régulation
Densité-indépendantsCatastrophes naturelles, gel, inondations, volcansImpact proportionnel, pas de feedback
Bottom-upDisponibilité des ressources (nourriture, eau)Contrôle par les producteurs
Top-downPrédation, contrôle trophiqueContrôle par les prédateurs supérieurs

Structure des populations

  • Pyramide des âges : distribution des individus par classe d'âge — prédictive du potentiel de croissance.
  • Sex-ratio : proportion de mâles/femelles — clé en reproduction sexuée.
  • Distribution spatiale : régulière, aléatoire ou agrégée (clumped) selon les ressources et les comportements sociaux.
  • r vs K stratégistes : espèces à reproduction rapide/nombreuse (r) vs espèces à longue vie/soins parentaux intenses (K).

Méta-populations (Levins, 1969)

Dans un paysage fragmenté, une espèce peut persister non grâce à une seule population stable mais à un réseau de populations locales connectées par la dispersion. L'extinction d'un patch peut être compensée par la recolonisation depuis un autre. Ce modèle est crucial pour la conservation en milieux fragmentés.

06 — Relations Interspécifiques

Interactions entre espèces

InteractionEspèce AEspèce BExemples
Mutualisme++Abeilles/fleurs, mycorhizes, nodules racinaires (Rhizobium/légumineuses), clémentiniers/pollinisateurs
Commensalisme+0Éponge/crabe ermite, orchidées épiphytes/arbres hôtes (lumière sans parasitisme)
Parasitisme+–Tiques/mammifères, Plasmodium/humain, gui/arbre, Taenia/intestin
Prédation+–Loup/orignal, faucon/souris, baleine/krill, lions/zèbres
Compétition––Rats noirs/rats bruns (Gause), lions/hyènes, plantes pour la lumière
Amensalisme0–Pénicillium/bactéries, noyer noir (juglone)/plantes voisines (allélopathie)

Coévolution

Quand deux espèces interagissent étroitement, elles exercent une pression de sélection réciproque qui façonne leur évolution commune. Exemples emblématiques :

  • Course aux armements : guépard/gazelle — vitesse maximale des deux espèces coévolue mutuellement.
  • Mutualismes obligatoires : figuiers et guêpes Agaonidae — chaque espèce de figuier a sa guêpe pollinisatrice spécifique.
  • Mimétisme batesien : espèce inoffensive (Batesian mimic) ressemble à une espèce venimeuse ou non comestible pour tromper les prédateurs.
  • Résistances aux antibiotiques : exemple contemporain de coévolution hôte-pathogène accélérée par la pression humaine.

Principe d'exclusion compétitive (Gause, 1934)

Deux espèces en compétition pour exactement les mêmes ressources dans le même habitat ne peuvent coexister indéfiniment — l'une finit par supplanter l'autre. La coexistence stable requiert une différenciation de niches (niche partitioning), réduisant le chevauchement des ressources exploitées.

Niche écologique (Hutchinson, 1957) : hypervolume à n dimensions défini par l'ensemble des conditions environnementales (température, humidité, pH, ressources…) dans lesquelles une espèce peut se maintenir et se reproduire. La niche fondamentale est le potentiel maximal ; la niche réalisée est réduite par la compétition.

07 — Dynamique

Succession écologique

La succession est le remplacement progressif et prévisible des espèces dans une communauté au fil du temps, jusqu'à atteindre un état relativement stable (climax ou état alternatif stable).

Succession primaire

S'opère sur un substrat vierge, sans sol préalable : lave volcanique, moraine glaciaire, dune littorale.

🪨
Roche nue
Lave basaltique
🟢
Pionniers
Lichens, mousses
🌱
Herbacées
Graminées, fougères
🌿
Arbustes
Bouleaux, saules
🌳
Climax forestier
Hêtraie-sapinière

Succession secondaire

Suit une perturbation (feu, coupe forestière, abandon agricole) sur un sol existant. Plus rapide que la succession primaire (décennies vs millénaires) car le sol et la banque de graines sont déjà présents.

Perturbations intermédiaires (Connell, 1978) : la biodiversité est maximale à des niveaux intermédiaires de perturbation. Perturbations trop rares → compétiteurs exclusifs dominent ; trop fréquentes → seuls les pionniers résistent. La diversité maximale émerge entre ces deux extrêmes.

08 — Diversité du Vivant

Biodiversité

La biodiversité est l'ensemble de la variabilité du vivant à trois niveaux emboîtés :

  • Diversité génétique : variabilité des allèles au sein et entre populations d'une même espèce.
  • Diversité spécifique : nombre et équitabilité des espèces dans un écosystème.
  • Diversité des écosystèmes : variété des habitats, paysages et processus écologiques.

Indices de diversité

IndiceFormuleCe qu'il mesure
Richesse spécifique SS = nombre d'espècesSimple décompte — pas d'équitabilité
Shannon H'H' = –Σ pᵢ ln(pᵢ)Richesse + équitabilité des abondances
Simpson 1–DD = Σ n(n-1)/N(N-1)Probabilité que deux individus ≠ espèces
Diversité βγ/αTurnover entre communautés

Points chauds de biodiversité (Hotspots)

Définis par Myers et al. (2000) comme des régions à la fois très riches en espèces endémiques et très menacées. Les 36 hotspots mondiaux couvrent seulement 2,5 % de la surface terrestre mais abritent >50 % des espèces végétales et >42 % des vertébrés non marins endémiques.

Sixième extinction de masse : le taux actuel d'extinction est estimé à 100–1 000 fois le taux de fond naturel. C'est la sixième extinction de masse que connaît la Terre, la première causée par une seule espèce. L'IPBES (2019) estime qu'environ 1 million d'espèces sont menacées d'extinction à court terme.

Services écosystémiques

CatégorieServicesValeur estimée
ApprovisionnementNourriture, eau douce, bois, fibres, médicamentsBase de toute économie humaine
RégulationClimat, inondations, érosion, qualité de l'eau et de l'air, pollinisationPollinisation mondiale ≈ 235-577 Md€/an
SupportFormation des sols, photosynthèse, cycles des nutrimentsFondation des autres services
CulturelsRécréation, spiritualité, valeurs esthétiques, éducationTourisme nature : >500 Md$/an

09 — Cycles de la Matière

Cycles biogéochimiques

Contrairement à l'énergie (qui entre et sort de l'écosystème sans recycler), la matière est recyclée dans des cycles biogéochimiques fermés à l'échelle planétaire.

Cycle du carbone

  • Atmosphère : 420 ppm CO₂ (2024), en hausse de 50 % depuis l'ère préindustrielle (~280 ppm).
  • Photosynthèse : ~120 Gt C/an fixés par les plantes et algues.
  • Respiration : ~120 Gt C/an relâchés par les êtres vivants.
  • Océans : stocks >38 000 Gt C dissous — tampon majeur du climat.
  • Sols : stocks ≈ 1 500 Gt C dans les 1 m supérieurs (2× l'atmosphère).
  • Perturbation anthropique : +11 Gt C/an via combustibles fossiles + déforestation → déséquilibre du cycle.

Cycle de l'azote

L'azote (N₂ = 78 % de l'atmosphère) doit être « fixé » pour être utilisable par les plantes :

  • Fixation biologique : bactéries libres (Azotobacter) ou symbiotiques (Rhizobium) — 120 Mt N/an naturellement.
  • Fixation industrielle (Haber-Bosch) : NH₃ à partir de N₂ + H₂ — 140 Mt N/an pour les engrais. Double la fixation naturelle.
  • Nitrification : NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ (bactéries Nitroso-/Nitrobacter).
  • Dénitrification : NO₃⁻ → N₂ retour atmosphère (bactéries anaérobies).
Eutrophisation : l'excès d'azote et de phosphore (engrais agricoles) dans les eaux engendre la prolifération d'algues, l'anoxie et la mort des zones lacustres et côtières. Les « zones mortes » marines (dead zones) totalisent aujourd'hui plus de 700 000 km² à travers le monde.

Cycle de l'eau

L'eau circule entre atmosphère, surface et souterrain par évaporation, transpiration (évapotranspiration), précipitations, ruissellement et infiltration. Les forêts jouent un rôle crucial : l'Amazonie recycle 50–80 % de ses précipitations via l'évapotranspiration, créant ses propres « rivières volantes ».

10 — Pressions Anthropiques

Menaces sur les écosystèmes

Destruction d'habitat

Première cause d'extinction. Déforestation, artificialisation des sols, drainage des zones humides. La forêt tropicale perd ~78 000 km²/an — l'équivalent de l'Autriche.

Changement climatique

+1,2 °C depuis l'ère préindustrielle (2024). Décalage phénologique, migration des biomes, acidification des océans (pH –0,1 unité), blanchiment des coraux, fonte des glaces polaires.

Espèces invasives

Deuxième cause d'extinction insulaire. Exemples : Caulerpa taxifolia en Méditerranée, rat noir sur les îles, Jussie en France, Frelon asiatique, Crapet de roche en Europe.

Surexploitation

Pêche INN (illégale, non déclarée, non réglementée), braconnage, prélèvement de plantes. ~90 % des grands poissons marins ont disparu depuis 1950. Effondrement des stocks de morue.

Pollution

Pesticides, plastiques (>350 Mt/an), microplastiques dans tous les compartiments (sommet de l'Everest, fond des fosses océaniques), lumière artificielle (ALAN), bruit anthropique perturbant la faune.

HIPPO (Wilson)

Le biologiste E.O. Wilson identifie les 5 grandes menaces : Habitat loss, Invasive species, Pollution, Population humaine, Overexploitation.

Écologie de la restauration

La restauration écologique cherche à aider le retour d'un écosystème dégradé vers une trajectoire fonctionnelle. Exemples emblématiques :

  • Réintroduction des loups, Yellowstone (1995) : cascade trophique — loups → réduit cervidés → végétation ripicole récupère → cours d'eau stabilisés → retour des castors → plus grande diversité d'oiseaux et de poissons.
  • Rewilding européen : retour des bisons en Pologne (Białowieża), des lynchs dans les Alpes, des condors en Californie.
  • Restauration mangroves : chaque hectare de mangrove restaurée séquestre ~1 400 t CO₂ équivalent sur 25 ans.

11 — Histoire de la Discipline

Histoire de l'écologie

1866
Ernst Haeckel — Naissance du terme
Le zoologue allemand Haeckel définit l'Oekologie dans son ouvrage Generelle Morphologie der Organismen.
1877
Karl Möbius — Biocénose
Introduit le concept de biocénose (communauté biotique) en étudiant les bancs d'huîtres de la mer du Nord.
1935
Arthur Tansley — Écosystème
Propose le terme « écosystème » comme unité fondamentale intégrant la biocénose et le biotope.
1942
Raymond Lindeman — Flux d'énergie
Publie la règle des 10 % et la théorie du flux d'énergie dans les chaînes alimentaires dans Ecology.
1962
Rachel Carson — Silent Spring
Dénonce l'impact des pesticides (DDT) sur la faune — déclenche le mouvement environnementaliste moderne et aboutit à l'interdiction du DDT aux USA (1972).
1967
MacArthur & Wilson — Biogéographie insulaire
Formalisent la relation espèces-surface, fondement de la biologie de la conservation et du design des réserves.
1992
Sommet de la Terre de Rio
Convention sur la Diversité Biologique (CDB) signée par 168 pays — premier traité international sur la biodiversité.
2005
Millennium Ecosystem Assessment
Évaluation de 1 360 experts de l'état des écosystèmes mondiaux — formalise le concept de services écosystémiques.
2019
IPBES — Rapport mondial sur la biodiversité
Conclut qu'environ 1 million d'espèces sont menacées d'extinction à des échelles sans précédent dans l'histoire humaine.