Questions d examen. Dunod, Paris, 2016

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1 Questions d examen 5.1 Érosion de la biodiversité Quelles sont les grandes causes de l érosion de la biodiversité? 5.2 Agriculture et labour À quoi sert le labour? Quels sont ses effets indésirables? Pourrait-on le supprimer? 5.3 Écosystèmes coralliens Peter J. Mumby et ses collaborateurs (2007) ont analysé et modélisé (par un système d équations différentielles) des mécanismes liés à la disparition des coraux caribéens. Ils ont montré que la croissance des grandes algues défavorise la croissance du corail, et que la croissance de ces macroalgues est elle-même contrôlée par des herbivores, oursins et poissons perroquets. Les chercheurs ont modélisé ce système dans les cas d une forte et d une faible intensité d herbivorie (figure 1). Figure 1 Trajectoires temporelles du système dans le plan «surface de corailsurface d algue» pour un fort taux d herbivorie (a) ou un faible taux d herbivorie (b). Le même modèle permet de représenter la surface de corail en fonction d un des paramètres, le taux d herbivorie (figure 2). La trajectoire réelle du système telle qu elle a été observée des années 1970 aux années 1990 est représentée sur la figure 2. 1

2 Figure 2 Équilibres stables et instables pour les récifs coralliens des Caraïbes. Les flèches marquées de dates représentent les prédictions du modèle pour les trajectoires des récifs de la Jamaïque (tiré de Mumby P.J., Hastings A. & Edwards H.J., «Thresholds and the resilience of Caribbean coral reefs», Nature, 450, , 2007). La figure 3 représente les changements de surface du récif corallien depuis 1970 avec indication des grands événements qui ont pu influencer ces changements. Figure 3 Confrontation des prédictions du modèle (ligne continue) avec des données empiriques (carrés noirs) concernant les récifs de Jamaïque à des profondeurs de 10 m. a) Pourquoi la survie des récifs coralliens est-elle fondamentale? b) Qu est-ce qu un équilibre pour un système dynamique? Un équilibre stable? Un équilibre instable? 2

3 c) Recopiez la figure 1 et représentez schématiquement les trajectoires du système partant des points 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Quel est l effet de la diminution du taux d herbivorie? d) Recopiez la figure 2 (sans la trajectoire réelle du système) et représentez l évolution de la surface de corail en partant des situations a, b, c, d, e, f. Quelle est la particularité des cas c et d? Comment nomme-t-on un tel cas pour un système dynamique? Que se passe-t-il quand on augmente ou diminue progressivement l intensité de l herbivorie? e) En vous appuyant sur les figures 2 et 3, décrire les changements de la surface du corail et les causes de ces changements. Comment pourrait-on augmenter de nouveau la surface du récif? 3

4 Réponses aux questions d examen 5.1 La cause principale de l érosion actuelle de biodiversité serait le changement d usage des terres (réduction de la surface occupée par les écosystèmes naturels) ainsi que la destruction et la fragmentation des habitats qui en résultent. Viendraient ensuite la surexploitation des ressources biologiques (par exemple, la surpêche) et l introduction d espèces exogènes. Le changement climatique jouerait un rôle de plus en plus important. 5.2 Le labour sert à éliminer les plantes annuelles potentiellement concurrentes des plantes cultivées, à faciliter la pénétration des racines, à stimuler les microorganismes producteurs d éléments minéraux assimilables. Les effets négatifs sont une perte de matière organique engendrée par la facilitation de la respiration microbienne et une sensibilité plus forte du sol à l érosion. La suppression totale du labour peut engendrer des zones d anoxie et des risques de production du N 2 O ou nécessiter l emploi d herbicides pour empêcher la prolifération des plantes compétitrices. Un compromis est possible en diminuant la fréquence du labour. 5.3 a) La survie des récifs coralliens est fondamentale car : - une grande diversité d espèces y vit et les récifs servent aussi de refuge à des milliers d autres espèces marines, ainsi que de nurseries à de nombreuses espèces de poissons ou d invertébrés. La disparition des récifs ne conduit donc pas qu à la disparition d espèces complètement inféodées aux récifs mais aussi à la disparition d espèces vivant en dehors des récifs durant une partie de leur cycle de vie. - un défaut de biominéralisation (construction des squelettes calcaires) peut aggraver le problème de la stabilisation du CO 2 atmosphérique. - ces écosystèmes fragiles attirent de nombreux visiteurs et les côtes, devenues d importantes zones touristiques, concentrent les habitants et les infrastructures. Les récifs fonctionnent comme des brise-lames naturels : ils protègent mécaniquement les côtes menacées par la montée des eaux et les ouragans. b) Un équilibre est un état d un système dynamique défini par le fait que les dérivées de toutes les variables d état par rapport au temps sont nulles. Un équilibre stable : une fois qu un système est à l équilibre, après une petite perturbation (i.e. une contrainte) le système s éloigne peu de son point d équilibre et y retourne. Un équilibre instable : une fois qu un système est à l équilibre, après une petite perturbation (i.e. une contrainte) le système s éloigne un peu de son point d équilibre et ne retourne pas au point d équilibre initial (il peut basculer vers un autre point d équilibre, avoir un régime cyclique ). 4

5 c) Avec un fort taux d herbivorie, il existe deux équilibres stables : l un avec seulement beaucoup de corail et l autre avec seulement beaucoup de grandes algues. Avec un faible taux d herbivorie, il n existe qu un seul équilibre stable : sans corail et avec beaucoup de grandes algues. Donc dans le premier cas, le système peut être dans deux états contrastés, avec algues ou avec corail selon l état initial (si on attend assez longtemps pour qu il ait atteint un équilibre), alors que dans le second cas, quel que soit l initial, toutes les trajectoires sont entraînées vers un équilibre où le corail a disparu. d) Les cas c et d sont situés dans l intervalle d intensité délimité par les deux lignes verticales en pointillés, le système a alors deux états stables contrastés (avec corail et sans algues ou avec algues et sans corail). Il s agit donc d un cas d états alternatifs stables ou de bistabilité. Le système change complètement de dynamique en fonction d un paramètre, l intensité d herbivorie. Si l on augmente progressivement l herbivorie, le système change brutalement d état au niveau de la ligne pointillée de droite (passage à un système avec beaucoup de corail). Si l on diminue progressivement l herbivorie, le système change brutalement d état au niveau de la ligne pointillée de gauche (passage à un système avec très peu de corail). 5

6 e) Entre les années 1970 et 1980, la surface de corail reste assez stable. L ouragan de 1980 diminue cette surface par simple effet mécanique. Après 1980, la surface de corail augmente un peu, parce que l intensité d herbivorie est telle qu il existe un seul équilibre stable, avec beaucoup de corail, ou parce que la surface de corail est encore suffisante pour que la trajectoire du système le conduise vers l équilibre avec beaucoup de corail. On est à la frontière de la zone de bistabilité. La mortalité des oursins en 1983 diminue l intensité d herbivorie et change qualitativement la dynamique du système : le système n a plus qu un état stable, celui avec très peu de corail. De ce fait, la surface de corail diminue. On ne connaît pas bien la raison de la quasi extinction des oursins en L ouragan Gibert (1988) ne fait qu augmenter la vitesse de disparition du corail. Pour augmenter de nouveau la surface du corail, on peut proposer de réintroduire ou favoriser des herbivores, pour revenir à une dynamique à un seul état stable (avec beaucoup de corail) ou revenir à une zone de bistabilité et augmenter au moins localement la surface de corail, pour être dans la zone dans laquelle les trajectoires conduisent le système vers son équilibre avec beaucoup de corail. 6