Climat et Biodiversité

Géologie - évolution
jjanin
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Climat et Biodiversité

Messagepar jjanin » 09 sept. 2010, 07:33

Bonjour Gilles et encore merci de venir nous aider à débroussailler ces notions complexes mais oh combien intéressantes.

Les variations climatiques jouent un rôle important dans les variation de la Biodiversité.
Aujourd'hui les experts constatent des modifications climatiques qu'ils attribuent essentiellement aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre.
Qu'en est-il des variations climatiques actuelles de la Terre par rapport aux variations "fossiles" connues ?

Merci d'avance
JJ

Gilles ESCARGUEL
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Re: Climat et Biodiversité

Messagepar Gilles ESCARGUEL » 09 sept. 2010, 17:55

jjanin a écrit :Bonjour Gilles et encore merci de venir nous aider à débroussailler ces notions complexes mais oh combien intéressantes.

Les variations climatiques jouent un rôle important dans les variation de la Biodiversité.
Aujourd'hui les experts constatent des modifications climatiques qu'ils attribuent essentiellement aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre.
Qu'en est-il des variations climatiques actuelles de la Terre par rapport aux variations "fossiles" connues ?

Merci d'avance


Je ne voudrai pas paraître "taper en touche", mais honnêtement, il est très difficile de répondre à cette question. Ce qui suit n'est donc que quelques pistes pour lancer la discussion...

D'abord, de quel paramètre de la variation parle-t'on : vitesse, amplitude, géographie ? La réponse ne sera pas forcément la même...

Pour commencer, on peut peut-être donner quelques éléments pour situer le débat -- et les problèmes.

D'abord pour dire que le climat global terrestre aujourd'hui n'est pas un climat particulièrement chaud. Certes, nous sommes depuis ~10.000 ans dans un interglaciaire, et depuis ~15 siècles dans une phase plutôt froide de cet interglaciaire (il faisait plus chaud en moyenne sur Terre il y a 2 à 4000 ans). De plus, cet interglaciaire est, pour des raisons strictement astronomiques (et donc indépendamment de tout facteur anthropique) et contrairement à ce que l'on a longtemps pensé, parti pour durer. Au moins 20.000 ans de plus, peut être plus (certains calculs suggèrent 50.000 ans, voire même 70.000 ans !). En fait, le meilleur analogue astronomique à la situation actuelle est l'interglaciaire qui a eu lieu il y a 420.000 ans (stade isotopique de l'oxygène OIS-11) : il a duré un peu moins de 30.000 ans. Mais d'un autre côté, on a connu des interglaciaires plus court (en général, ~10.000 ans) bien plus chaud que l'actuel. A commencer par le dernier grand interglaciaire, OIS-5e, plus court que OIS-11, il y a 110.000-120.000 ans. Donc dans un contexte global d'alternance glaciaire/interglaciaire (et ce depuis ~5 millions d'années), on est dans un interglaciaire modérément chaud, et probablement exceptionnellement long. Maintenant, parti come c'est parti, l'Homme est en effet capable, dans les siècles/millénaires à venir, de rendre cet interglaciaire très chaud.

Mais même si c'était le cas (les prévisions actuelles les plus pessimistes parlent de +5 à +8°c pour les 5 siècles à venir pour les moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère Nord), la Terre a, dans son passé plus ancien, connu bien "pire"... Nous resterions quand même dans un système de type Ice-house. Au plus chaud du Cénozoïque, durant l'Eocène inférieur (il y a 50 à 55 millions d'années), la température du fond de l'océan était ~10°c au-dessus de l'actuel (voir, p.ex. http://www.oceanleadership.org/wp-content/uploads/2009/07/cenozoic_events-500.jpg, qui provient d'un article publié en 2001 dans Science). Jusqu'à ~33 Ma, la Terre était dans un système Green-house globalement bien plus chaud que l'actuel (pas de glace aux pôles, forêts sub-tropicales jusqu'en hautes latitudes & forêts tempérées au-delà du cercle polaire, etc.).

Certaines de ces périodes globalement très chaudes ont été très favorables à la biodiversité (c'est par exemple le cas du maximum thermique de l'Eocène inférieur ou on connait en france, dans le Bassin Parisien par exemple, des sites fossilifères qui ont livré des assemblages d'espèces de mammifères [pour parler de ce que je connais...] typiques de forêts tropicales humides -- confirmé par des restes végétaux d'essences tropicales). D'autres ont été très défavorables. Par exemple l'extrême fin du Permien, il y a ~255 Ma, est une période uniformément très chaude, et ce paramètre est certainement intervenu dans la crise d'extinction permo-trias.

En fait, plus qu'un descripteur moyen comme la température moyenne globale, le problème avec le climat vis-à-vis de la biodiversité, ça n'est pas tant l'opposition chaud/froid que l'opposition uniforme/hétérogène (et c'est tout le problème avec le réchauffement climatique actuel...). Au premier ordre d'approximation, les températures sur Terre s'organisent en un gradient latitudinal parabolique, avec le maximum centré sur l'équateur thermique (~4°N actuellement). L'hétérogénéité climatique globale dépend de la pente de ce gradient latitudinal : plus elle est forte, plus les climats sont variés sur Terre, plus la biodiversité globale est élevée, parce qu'un grand nombre d'environnements différents coexistent, favorisant la diversification des espèces (même si localement ou régionalement, les assemblages d'espèces peuvent être relativement pauvres, notamment en hautes latitudes). Au contraire, si le gradient latitudinal de température est plat, la Terre est climatiquement homogène, ce qui est in fine très mauvais pour la biodiversité globale. L'"ennemi", c'est donc l'uniformité.

Ors c'est précisément ce qui est en train de se passer (voir le dernier rapport du GIEC) : le climat actuel se réchauffe beaucoup plus en moyenne et surtout haute latitude qu'en basse latitude (les températures moyennes à l'Equateur ne vont pas augmenter dans les siècles qui viennent, même d'après les scenarios les plus pessimistes). Le réchauffement climatique actuel est un applatissement du gradient latitudinal de température, et ça, c'est très très mauvais pour la biodiversité (indépendamment des autres paramètres anthropiques, pressions démographique et agricole notamment, qui ne font qu'aggraver le problème...).

Donc oui, le climat à une incidence directe sur la biodiversité, mais autant, sinon plus du point de vue de sa variabilité spatiale que de son niveau moyen global.

Voilà quelques pistes sur ce que l'on sait, qualitativement, des variations climatiques actuelles de la Terre par rapport aux variations "fossiles" connues. Maintenant se pose la question, plus difficile encore, de la vitesse de ces variations. Autrement dit, le réchauffement climatique actuel est-il anormalement plus rapide que les réchauffements enregistrés au cours des temps géologiques ? Autrement dit encore, connait-on au cours des temps géologiques des réchauffements aussi rapide (et d'ampleur équivalente) que le réchauffement actuel ? Au risque de surprendre, la réponse est : oui ! Par exemple il y a 55,5 millions d'années, l'évènement "PETM" (pour "Paleocene/Eocene Thermal Maximum") est un réchauffement climatique global de 5 à 8°c en 5-10 siècles. Soit l'équivalent de ce qui est en train de se passer. Ensuite, la Terre a mis environ 100.000 ans pour revenir à l'état thermique initial.

Il y a donc eu au cours de l'histoire de la Terre des réchauffements globaux d'amplitude et de vitesse équivalentes au réchauffement actuel. Et ces évènements, s'ils n'ont pas tous abouti à une phase d'extinction de masse, ont tous eu de profondes répercussion sur la biodiversité.

A+

Gilles.

jjanin
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Re: Climat et Biodiversité

Messagepar jjanin » 09 sept. 2010, 19:03

Et bien, pour quelques pistes, je trouve qu'on en apprend beaucoup !
Merci pour cette réponse qui confirme en bien des points ce que j'avais cru comprendre.
Et c'est là qu'on se rend compte comment les médias diffusent mal les infos (au moins scientifiques) et que l'on comprend pourquoi les citoyens lambda sont si mal informés sur ces questions qui sont pourtant au centre des questions d'actualité !
JJ

marie-claude segui
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Re: Climat et Biodiversité

Messagepar marie-claude segui » 11 sept. 2010, 20:39

Pour les climats et la biodiversité :

Lorsqu'il y a comme actuellement une uniformisation des températures cela risque donc de provoquer une diminution de la biodiversité au niveau global.

Vous avez dit je crois, qu'au Dévonien, il y a 400 MA, dans l'océan, au moment de la sortie des eaux la biodiversité était beaucoup plus importante qu'actuellement...
Mais les conditions thermiques océaniques ou aquatiques en général, ne sont-elles pas bien plus homogènes que les conditions thermiques terrestres?
L'écosystème marin peut-il être plus biodiversifié que l'écosystème terrestre?

Merci!

Gilles ESCARGUEL
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Re: Climat et Biodiversité

Messagepar Gilles ESCARGUEL » 14 sept. 2010, 10:44

Bon, alors là, il y a trois questions bien distinctes :
1. au Dévonien, il y a 400 MA, dans l'océan, au moment de la sortie des eaux la biodiversité était beaucoup plus importante qu'actuellement...
2. les conditions thermiques océaniques ou aquatiques en général, ne sont-elles pas bien plus homogènes que les conditions thermiques terrestres?
3. L'écosystème marin peut-il être plus biodiversifié que l'écosystème terrestre?

Je vais essayer de sérier les problèmes ! Dans tous les cas, bien voir qu’en l'état actuel des connaissances, ce que l'on sait repose presque essentiellement sur des études de richesse taxonomique à l’échelle géographique globale, rarement au niveau de l'espèce, en général au niveau du genre (pour des raisons méthodologiques sur lesquelles je n'insiste pas pour l'instant ; on pourra y revenir si vous le souhaitez...). On ne sait donc rien sur les autres facettes de la biodiversité…

1. Ce premier point renvoie à la question plus générale encore : que sait-on des grandes fluctuations passées de biodiversité (sensu richesse taxonomique) sur Terre (continents et océans) ? Depuis ~50 ans que les paléontologues, surtout Nord-américains, travaillent sur cette question, à la fois beaucoup et peu de choses, comme bien souvent...

La vie existe sur Terre depuis 3,5 à 3,8 Milliards d'années. Mais objectivement, nous ne disposons aujourd'hui d'un enregistrement scientifiquement analysable des variations passées de biodiversité que pour les derniers ~550 Millions d'années (le Phanérozoïques), soit pour le dernier ~1/7 de l'histoire. Non pas qu'il ne se soit rien passé durant les ~3 premier milliards d'années, mais le registre fossile qui rend compte de cette histoire très ancienne est tellement fragmentaire qu'aucun signal, aucune tendance n'est à ce jour visible, interprétable. Un élément est cependant remarquable à ce niveau : les grands événements évolutifs (premiers eucaryotes, premiers organismes multicellulaires, grande diversification des métazoaires par exemple) semblent bien associés à des évènements physico-chimiques majeurs, notamment climatiques. Les phases de Terre boule de neige (voir http://www2.cnrs.fr/presse/communique/443.htm) semblent, entre autres, avoir été des facteurs majeurs d'évolution de la vie, il y a 2,2-2,1 Milliards d'années d'abord (premiers organismes multicellulaires ; voir http://www2.cnrs.fr/presse/communique/1928.htm), puis il y a 640-580 Millions d'années pour la grande diversification des métazoaires (le début de l'explosion cambrienne ; voir http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosevol/decouv/articles/chap2/vannier.html).

A partir de l'explosion cambrienne, le registre fossile s'accroît considérablement en qualité et quantité, et le sujet devient traitable à grande échelle, surtout pour le registre marin, de bien meilleure qualité que le registre continental (pour des raisons sédimentologiques). Pour le phanérozoïque, on a depuis une 30aine d'années de grosses bases de données compilant l'existence de dizaines de milliers de genres, voire d'espèces, dans le temps et dans l'espace. Le travail fondateur dans ce domaine a été l'énorme jeu de données de métazoaires marins compilé pendant 30 ans par Jack Sepkoski Jr. (Chicago), jeu de données entièrement disponible et analysable très simplement sur internet (http://strata.geology.wisc.edu/jack/ ; j'en parle dans une des conférences signalées dans un post précédent). Je vous signale cela car les grandes courbes de diversité phanérozoïque (générique ou familiale) présentes dans les bouquins de Lycées ont été obtenu à partir de ces données. Si vous considérez ces courbes (par exemple http://icb.oxfordjournals.org/content/43/1/178/F1.large.jpg pour la courbe familiale, ou http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Phanerozoic_Biodiversity.png pour la courbe générique [attention : sens de lecture inversé !]), la conclusion naturelle est que la biodiversité n'a jamais été aussi élevée que dans l'actuel (la "grande marche en avant vers un monde toujours plus complexe et diversifié" ; bref, le progrès !!!...).

On sait aujourd’hui que cette conception est très certainement fausse. La tendance donnée par ces courbes est essentiellement le reflet de biais importants dans le registre fossile, mais allant décroissant au fil du temps durant le Phanérozoïque. Certains biais sont très simples à concevoir (par exemple, il existe beaucoup plus de paléontologues travaillant sur les organismes néogènes et quaternaires que sur les organismes du Paléozoïque ancien ==> plus de travaux ==> une plus grande biodiversité connu) ; d'autres sont moins intuitifs (par exemple, la quantité d'affleurements cambriens étudiables (affleurant, non métamorphisés, etc.) est bien plus faible que celle de couches quaternaires ==> moins de possibilité d'échantillonnage ==> une moins grande biodiversité connue)... Au total, ces différentes sources de biais possibles affectant différentiellement le registre fossile au cours du Phanérozoïque altèrent considérablement notre vision de l'histoire. Et prendre en compte ces biais afin de "détordre" le signal est extrêmement délicat (je ne vous raconte pas les mathématiques qu'il y a derrière ça... Un petit aperçu ?! voir parmi les plus simples (!) et déjà dépassés : http://www.nceas.ucsb.edu/~alroy/Alroy.sampling.html)... Cela ne fait que 3-4 ans que l'on commence à s'y risquer, pour l’instant uniquement sur les Métazoaires marins, car c’est pour eux que le registre fossile est le moins mauvais (pour ne pas dire le meileur). Pour l'instant, la tentative la plus exhaustive, mais dont on sait déjà qu'elle n'est pas totalement satisfaisante du point de vue de l’élimination des différentes sources de biais connues à ce jour, a donné : http://www.geo365.no/sfiles/33/42/2/picture/globaldiv.jpg (article publié dans Science en 2008 par John Alroy + 34 autres collaborateurs...). Attention : sur ce graphique, les valeurs en ordonnée (nombre de genre) n’ont pas de sens absolu, seulement relatif : pour la même intensité d’échantillonnage "standard" aboutissant à l’identification de ~650 genres dans l’actuel, on en aurait eu ~700 au Crétacé "moyen", ~300 au début du Trias, et ~550 au Dévonien moyen. Les barres verticales pour chaque point indiquent l’incertitude statistique associées aux valeurs moyenne estimées pour chaque intervalle de temps. Cette analyse est basée sur une gigantesque base de données internationale (la Paleobiology Database) en cours de développement depuis ~10 ans (une extension de la base de Sepkoski). Comme vous pouvez le voir, l'histoire qu'elle raconte est assez différente de celle de Sepkoski... La lente progression vers l'actuel n'apparaît plus ; au lieu de cela, une série d'augmentations, puis de diminutions, faisant apparaître au moins 4 périodes de forts niveaux de biodiversité des métazoaires marins (niveaux comparables, voire supérieur à l'actuel), à l'Ordovicien (~400 millions d'année), dans la seconde moitié du Permien (275-250 Ma), au Crétacé "moyen" (~100 Ma) et au Néogène-Quaternaire-Actuel. Et vu que tous les biais n’ont pas encore été proprement pris en compte, il est très vraisemblable que la réalité est bien "pire" encore : selon toutes vraisemblances, par rapport à l’actuel, la biodiversité (sensu richesse taxonomique…) des métazoaires marins a été à quelques reprises comparable, sinon supérieure dans le passé, ce que les courbes classique de Sepkoski ne montrent absolument pas.

Qu’en est-il des autres groupes d’êtres vivants ? Encore plus difficile à dire que pour les métazoaires marins, simplement parce que la qualité de l’information disponible est moins bonne. A partir d’une autre très grosse base de données développée par Michael Benton (Bristol), le "Fossil Record II", on obtient : http://palaeo.gly.bris.ac.uk/Essays/databases/Fig06.jpeg. Si on décompose le signal pour les tétrapodes terrestres : http://palaeo.gly.bris.ac.uk/Essays/databases/Fig02.jpeg. Bref, on a des courbes globalement semblables à celle de Sepkoski (mêmes tendances à l’accroissement quasi-exponentiel depuis ~250 millions d’années, avec un décalage dans le temps au Paléozoïque pour les organismes terrestres, bien sûr, vu que les premières sorties des eaux [il y en a probablement eu plusieurs…] n’ont pas lieu avant 465 Millions d’années pour les végétaux, 400 Ma pour les tétrapodes, et quelque part entre les deux pour plusieurs groupes de métazoaires non-vertébrés), ce qui suggère fortement que, si on pouvait correctement prendre en compte les biais sur ces données (impossible en l’état actuel des connaissances), on arriverait probablement aux mêmes conclusions qu’avec les métazoaires marins…

Voilà dans ces très grandes lignes l’état des connaissances actuels sur l’évolution de la biodiversité (sensu richesse taxonomique) au cours du phanérozoïque, connaissances presque exclusivement liées aux métazoaires marins.

Partant de là :

2. Qu’en est-il de l’homogénéité/hétérogénéité des conditions thermiques océaniques ou aquatiques en général, au regard de celles terrestres?

Regarder cette image : http://apod.nasa.gov/apod/image/9701/earthtemp_goes8_big.gif, où on voit simultanément (2 codes de couleurs différents) les T°c annuelles moyennes actuelles à la surface des océans et des continents. Bien sûr, l’inertie thermique de l’eau est telle que les T°c des eaux de surface océanique fluctuent dans un intervalle bien plus restreint que celles sur les continents. D’autre part, et pour les mêmes raisons, les variations quotidiens et saisonnières sont plus réduites en mer qu’à terre. Et donc au global, les T°c continentales sont bien plus hétérogènes dans l’espace et dans le temps (à l’échelle de l’année) que celles des océans.

En résulte-t’il pour autant que les écosystèmes marins sont plus larges et moins variés, donc plus homogènes dans l’espace et dans le temps que ceux terrestres, et donc que :


3. L'écosystème marin est moins diversifié que l'écosystème terrestre (?)

C’est loin d’être évident !!!

D’abord parce si on raisonne à l’échelle globale, vu que les océans recouvrent ~4/5 du Globe, il y a donc ~4 fois plus de place (et donc potentiellement plus de biodiversité) pour la vie marine que pour celle continentale.

Ensuite parce que la perception classique d’un monde marin globalement peu diversifié au regard du monde continental tient bien sûr beaucoup à la difficulté relative d’échantillonnage du premier par rapport au second. C’est particulièrement vrai pour les grands fonds océaniques : aujourd’hui encore, >90% des espèces remontées des grands fonds océaniques par la moindre campagne océanique sont nouvelles pour la science, ce qui signifie que l’on connaît encore très très peu cette diversité pélagique et benthique profonde, probablement beaucoup plus variée que ce qu’il ne semble au premier abord. En comparaison, les écosystèmes continentaux, plus facilement accessibles et observables, sont considérablement mieux connus (y compris les forêts tropicales !).

Enfin parce que cette conception classique d’un monde marin globalement peu diversifié au regard du monde continental est, indépendamment des données disponibles, une conséquence logique de notre compréhension des mécanismes de spéciation. Rappelez-vous : allopatrie (vicariance), péripatrie, parapatrie, sympatrie (Voir http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Speciation_modes_fr.svg si nécessaire !)… Si le mode de spéciation dominant dans la nature est, comme le postule +/- explicitement la Théorie Synthétique de l’Evolution, l’allopatrie, alors il est logique, la physiographie continentale étant plus fragmentée que celle océanique et les conditions climatiques spatialement et temporellement plus variable sur terre qu’en mer, de conclure que la biodiversité continentale est plus élevée (plus de possibilités de spéciations  plus d’espèces !) qu’en mer.

Mais qu’est-ce qui nous dit que le mode de spéciation dominant sur terre, et à fortiori en mer, est effectivement l’allopatrie ?! Etonnamment, très peu de données vont dans ce sens… Il est notamment assez vraisemblable que l’importance de la spéciation sympatrique a été pour l’instant très sous-estimée, notamment dans les océans, où elle pourrait entre autres expliquer pas mal de chôses au niveau de l’extrême abondance (jusqu’à présent presque totalement ignorée) des espèces cryptiques.

Au total, il est donc loin d’être évident que la biodiversité marine soit inférieure à celle sur les continents. Je pense même que c’est très certainement le contraire. Et un dernier argument, très fort, va dans ce sens : ici comme ailleurs, l’essentiel est invisible pour nos yeux. Et qu’est-ce que l’essentiel en matière de biodiversité ? les micro-organismes, bien sûr ! Ors les µ-organismes sont plus abondants et diversifiés dans l’eau que dans l’air et la terre. L’essentiel de la biomasse vivante sur Terre est faite de µ-organismes marins ; l’essentiel du l’O2 est photosynthétisé par eux ; l’essentiel du CO2 est capturé par eux (bien plus que les forêts terrestres)… L’étude de cette biodiversité n’en est aujourd’hui qu’à ses tous débuts, grace notamment au développement des techniques de séquençage massif haut-débit. Mais ce qui commence à en sortir est proprement hallucinant : un litre d’eau de mer contient de façon normale des centaines voir de milliers, sinon des dizaines de milliers d’espèces différentes de µ-organismes planctoniques, la plupart totalement inconnus de la science à ce jour… C’est un des buts de la mission TARA-Oceans, que vous pouvez suivre au jour-le-jour avec vos élèves sur http://oceans.taraexpeditions.org que d’approcher de plus près cette phénoménale "micro-biodiversité", dont on ne sait encore manifestement rien ou presque, sinon qu’elle est absolument essentielle au bon fonctionnement de la biosphère…

Encore pas mal de boulot en perspective !

Gilles.


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