29 notions-clefs : changement climatique et biodiversité

Les réponses du monde vivant au changement climatique actuel
Auteurs : Gwladys Mathieu(plus d'infos)
Résumé :
Document issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 12 Mai 2014

Face à une modification de son environnement, une espèce peut répondre de trois manières :

  •  s’adapter : les individus restent dans leur milieu mais modifient leurs caractéristiques en fonction des nouvelles conditions de l’environnement. Cette adaptation peut se faire de manière purement phénotypique (c’est-à-dire sans modification du patrimoine génétique, mais par influence directe de l’environnement sur la croissance, le développement, le comportement, la physiologie ou la morphologie des individus) ou par des processus de sélection (les individus ayant les caractéristiques génétiques les plus favorables dans le nouvel environnement deviennent dominants) ;
  •  se déplacer : les individus se déplacent pour retrouver l'environnement qui leur convient. Les phénomènes de dispersion peuvent être ainsi actifs ou passifs (par exemple, la dispersion des graines par le vent). L'aire de répartition de l'espèce change ;
  •  disparaître : les individus ne peuvent ni s’adapter aux nouvelles conditions ni se déplacer pour retrouver les conditions qui leur conviennent. Les effectifs de la population diminuent jusqu’à la disparition locale de l’espèce.

Nous allons voir que l’augmentation des températures ces dernières décennies a déjà eu des répercussions de ce type-là sur les plantes et les animaux en différents endroits du globe.

Les variations des cycles saisonniers

D’une année sur l’autre, les paramètres climatiques sont très variables : on peut avoir des années froides ou chaudes, des saisons particulièrement fraîches ou caniculaires, etc. Ce sont des fluctuations naturelles du climat. Les organismes vivants possèdent une certaine plasticité (capacité des individus à modifier leurs caractéristiques en fonction des conditions de l’environnement) qui leur permet de s’adapter à ces fluctuations en ajustant, dans une certaine mesure, leur cycle biologique au déroulement des saisons. On s’attend par exemple à ce qu’un arbre change de couleur et perde ses feuilles à l’automne, à ce que les oiseaux migrateurs repartent vers le sud, mais la date exacte de ces événements change d’une année sur l’autre en fonction des conditions climatiques. L’étude des variations annuelles de ces événements périodiques de la vie animale et végétale en fonction du climat est appelée phénologie.
Les organismes vivants répondent ainsi à des évènements climatiques récents, qui leur permettent d’anticiper les conditions climatiques futures (avec une fiabilité toutefois relative). Le facteur climatique le plus déterminant en zone tempérée est la température (en zone tropicale, ce sont les précipitations). La plupart des plantes par exemple se basent sur les températures des semaines précédentes (2 à 12 semaines avant) pour évaluer le changement de saison et déclencher les réponses phénologiques.
À la sortie de l’hiver, par exemple, les plantes ont besoin d’accumuler une certaine quantité de chaleur pour se développer. Cette accumulation de chaleur se fait au-dessus d’une température-seuil qui correspond à la température à partir de laquelle la plante peut entrer en activité (elle est en général comprise entre 0 et 5 °C). Chaque jour, la plante « accumule » les degrés au-dessus de la température-seuil jusqu’à atteindre la quantité de chaleur adéquate pour son développement. Cette somme de chaleur est exprimée en degrés-jours (ou °j).
Chaque espèce a sa propre phénologie et réagit différemment à la température. Prenons l’exemple de deux conifères vivant dans le même milieu : l’épicéa et le mélèze (le calcul des degrés-jours a été effectué à partir de plusieurs arbres situés dans les Alpes, dans différentes conditions de milieu et d’altitude ; il s’agit d’une moyenne calculée à partir des observations du programme Phénoclim en 2006 et 2007). Au printemps, le mélèze a besoin de peu de chaleur pour que ses bourgeons s’ouvrent : 186 °j, ce qui veut dire que les aiguilles du mélèze se développent rapidement lorsque la température redevient positive au printemps. Le mélèze est une espèce précoce. En revanche, l’épicéa a besoin de 472 °j pour que ses bourgeons éclosent. Cela veut dire que les aiguilles de l’épicéa se développent très tardivement au printemps. L’ouverture tardive des bourgeons est une adaptation qui évite aux jeunes aiguilles, très sensibles au froid, d’être endommagées par un gel tardif. Les stratégies de développement différentes de ces arbres sont liées à leur mode de croissance. En effet, l’épicéa ne fabrique des aiguilles qu’une seule fois au cours de la saison et ces aiguilles durent plusieurs années. Le mélèze, lui, fabrique des aiguilles chaque année et en plusieurs fois. Il peut donc remplacer les aiguilles perdues à cause d’un gel tardif.
La phénologie est une réponse directe des organismes vivants à la température. On comprend alors que la fluctuation des paramètres climatiques puisse agir sur la phénologie et que l’on puisse en observer les effets à long terme.

Un décalage des cycles saisonniers des êtres vivants

Plusieurs études ont montré des décalages des événements phénologiques ces dernières décennies en réponse à l’augmentation des températures. De nombreuses espèces de plantes, d’insectes, d’oiseaux, d’amphibiens… ont modifié leurs rythmes biologiques : ouverture des bourgeons et floraison des plantes, arrivée des oiseaux migrateurs, périodes de reproduction plus précoces, etc. Les signes sont surtout visibles au printemps. En trente ans, les activités printanières des êtres vivants ont ainsi avancé de presque une semaine en Europe avec de fortes variations selon les espèces et les régions.
Si l’on suit sur les trente dernières années la date d’arrivée de migration des hirondelles de fenêtre en provenance d’Afrique à Oxfordshire, en Angleterre, on s'aperçoit que les hirondelles arrivent en moyenne fin mars maintenant, alors qu’elles arrivaient mi-avril il y a trente ans : trois semaines d'avance !
L’augmentation des températures de ces dernières décennies (pourtant modeste par rapport aux prévisions pour 2100) a déjà eu un impact sur la biologie des espèces. La question est de savoir jusqu’à quel niveau les espèces pourront ajuster leurs cycles biologiques. Une augmentation supplémentaire de 2 à 4 °C d’ici 2100 dépasse largement l’ordre de grandeur des fluctuations de température dues à la variabilité interannuelle du climat. Les espèces pourront-elles s’y adapter ?

Quelques implications directes et indirectes des décalages de phénologie

Toutes les espèces ne réagissent pas avec la même amplitude aux modifications du climat, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements au sein des écosystèmes (un « écosystème » est un ensemble dynamique formé de plantes, d’animaux, de micro-organismes vivant en interaction dans un milieu particulier, par exemple : un lac, une tourbière, une hêtraie…). Certaines espèces peuvent en tirer des avantages, d’autres être défavorisées.
Un premier exemple : depuis les années 1970, dans le bassin méditerranéen, les abeilles sortent de plus en plus tôt de la ruche au printemps. Mais peu de fleurs sont ouvertes à cette période, car la végétation a pris moins d’avance que les insectes. Résultat : il y a peu de nourriture disponible à une période délicate pour la survie des abeilles et les interactions entre plantes et insectes pollinisateurs sont modifiées.
L’étude des chaînes alimentaires permet aussi de mettre en évidence les modifications des interactions entre les proies et leurs prédateurs dues au changement climatique. Nous en donnons deux exemples ici.

La phalène brumeuse est un papillon des régions tempérées qui vit sur les arbres forestiers ou dans les vergers. Sa chenille défoliatrice se nourrit préférentiellement des jeunes feuilles du chêne pédonculé, causant parfois d’importants dégâts aux arbres. Les mésanges bleues et charbonnières sont des prédateurs de la chenille de phalène, principale nourriture des poussins au printemps. Chêne, phalène et mésange sont donc trois maillons d’une même chaîne alimentaire. Cette chaîne, étudiée depuis plusieurs années en Angleterre, montre que les trois espèces ont un développement synchronisé au printemps : l’éclosion des chenilles a lieu lorsque les bourgeons du chêne s’ouvrent et la date de ponte des mésanges est corrélée avec l’apparition des chenilles. Le développement des poussins se fait ainsi parallèlement au pic de production des chenilles.
Lorsque les températures sont élevées, comme ces dernières années, l’ouverture des bourgeons du chêne est avancée et les feuilles se développent plus rapidement. Les chenilles de phalène éclosent également plus tôt et leur développement s’accélère. L’élévation des températures ne modifie donc pas les interactions chêne/phalène. Les mésanges pondent aussi plus tôt (en corrélation avec l’apparition précoce des chenilles), mais le développement des poussins dans l’oeuf n’est pas accéléré (nombre de jours fixe entre la ponte et l’éclosion), alors que les chenilles se développent plus rapidement. Il y a donc un décalage entre le pic de production des chenilles et le développement des poussins. Leur nourriture est moins abondante et de moindre qualité (les « vieilles » chenilles sont moins digestes), ce qui se traduit par une plus grande mortalité des poussins. Le changement climatique peut donc modifier la dynamique des populations de mésanges à leur détriment et donner un avantage aux phalènes (pour le grand malheur du chêne).

Les décalages de phénologie
du chêne, de la phalène
et de la mésange. Source : CREA


Un autre exemple en milieu aquatique : les recherches menées par l’Inra (Institut national de la recherche agronomique) autour du lac Léman montrent une augmentation de la température de l’eau qui perturbe les successions saisonnières. Depuis quarante ans, la température du lac Léman a augmenté de 1 °C, provoquant une apparition printanière du phytoplancton (algues microscopiques), et du zooplancton qui s’en nourrit, avec trois à quatre semaines d’avance. Une aubaine pour un poisson du lac, le corégone, dont les larves éclosent toujours à la même date et trouvent ainsi de meilleures conditions de nourriture (le zooplancton est la principale nourriture des larves). La dynamique de cette espèce est donc favorisée pour l’instant. Mais, pour se reproduire, le corégone a besoin d’une température hivernale inférieure à 7 °C. Si le réchauffement se poursuit, la température du lac Léman ne lui sera plus favorable.
Ces exemples de modifications des interactions entre espèces dues à un décalage des événements phénologiques illustrent à la fois les dysfonctionnements que peut introduire le changement climatique dans les écosystèmes actuels et la difficulté de prévoir toutes les conséquences qui en découlent.

Les espèces modifient leur aire de répartition

Certaines espèces s’adaptent à leurs nouvelles conditions de vie en modifiant leur cycle biologique, d’autres se déplacent pour rester dans le régime climatique qui leur convient. De tels déplacements ont déjà eu lieu au cours de l’histoire. On trouve par exemple dans la faune et la flore alpines des espèces dites « arctico-alpines » (présentes à la fois dans les Alpes et dans l’Arctique), que l’on qualifie aussi parfois de « reliques glaciaires », comme la renoncule des glaciers, le lièvre variable, le lagopède alpin… Ces espèces, originaires de la zone arctique, ont colonisé l’Europe lors des glaciations de l’ère quaternaire. Au retrait des glaciers, des individus ont trouvé refuge en montagne, notamment dans les Alpes. Grâce à la lenteur des changements, ces espèces ont pu évoluer et s’adapter aux nouvelles conditions climatiques. Entre le dernier maximum glaciaire, il y a 21 000 ans, et la période interglaciaire actuelle, la différence de température moyenne globale est de 4 à 7 °C, mais le réchauffement (essentiellement de – 17 000 à – 10 000 ans) s’est produit à un rythme dix fois plus lent que le réchauffement que nous avons connu au cours du xxe siècle.
En réponse aux évolutions climatiques des dernières décennies, de nombreuses espèces d’animaux et de plantes ont modifié leur aire de répartition en se déplaçant en latitude vers le nord ou en altitude. Les insectes, entre autres, sont particulièrement sensibles à la température. Une étude menée sur trente-cinq espèces de papillons européens montre que 63 % d’entre elles ont étendu leur aire de répartition de 35 à 240 km vers le nord au cours du xxe siècle et ont ainsi suivi l’augmentation des températures.
Dans certains cas, on assiste à l’arrivée d’espèces considérées par l’homme comme indésirables. On constate par exemple depuis plusieurs années une expansion géographique de la chenille processionnaire du pin, qui s’attaque aux conifères et peut provoquer chez l’homme des réactions allergiques. Cet insecte, présent dans le bassin méditerranéen à l’origine, progresse peu à peu vers le nord et en altitude. Les chenilles ont par exemple franchi la Loire au début des années 1990. Repéré à 70 km de Paris en 2003, le premier nid de front (le « front » désigne la limite mobile de l’aire colonisée par les chenilles) s’en trouve maintenant à 36 km. Les chenilles se développent pendant l’hiver et sont sensibles à l’augmentation des températures durant cette saison. Jusqu’en 1996, la majorité du Bassin parisien était défavorable au développement des chenilles, les hivers étant trop froids pour qu’elles s’alimentent entre octobre et mars. Avec une augmentation d’environ 1 °C des températures hivernales, l’ensemble de la région est devenu favorable entre 2000 et 2004. À l’avenir, la vitesse de progression de l’insecte dépendra de ses capacités naturelles à coloniser les zones devenues climatiquement favorables, mais aussi de l’action de l’homme : les modifications de la structure du paysage, la plantation de son essence hôte préférée dans les parcs et jardins, le long des routes et autoroutes, les introductions accidentelles au-delà du front sont autant d’éléments qui peuvent favoriser ou freiner l’extension de son aire de répartition.

En altitude, les choses changent aussi. Des enquêtes floristiques réalisées en 1905, 1985 et 2003 sur une dizaine de sommets des Alpes suisses situés entre 2 900 et 3 300 m d’altitude montrent une augmentation de la biodiversité. Des espèces de plantes des altitudes inférieures colonisent progressivement le sommet des montagnes et viennent côtoyer les espèces alpines et nivales très spécialisées qui poussaient là auparavant.
De manière générale, le nombre d’espèces de plantes à fleurs et fougères (on ne compte pas les mousses et les lichens) est passé d’une dizaine d’espèces par sommet en 1905 à trente à cinquante espèces en 2003. Le rythme d’augmentation du nombre d’espèces s’est même accéléré depuis 1985, suivant une période de réchauffement plus intense. Si l’augmentation des températures s’est traduite jusqu’à présent par une augmentation nette de la biodiversité des sommets (pas de disparition d’espèces présentes en 1905), on peut se demander quelle sera la tendance à l’avenir. Un plus grand nombre d’espèces pourront pousser sur les sommets, mais les espèces initialement présentes supporteront-elles, d’une part, l’augmentation des températures et, d’autre part, la concurrence des nouvelles espèces ?

Évolution du nombre d’espèces de plantes à fleur et de fougères sur dix sommets des Alpes suisses.
Source : adapté de G.-R. Walther,
S. Beissner et C. A. Burga, « Trends in the upward shift of alpine plants », Journal of Vegetation Science, vol. 16,
n° 5, 2005, p. 541-548.

Apparition d’espèces invasives

Le changement climatique peut faciliter le développement d’espèces exotiques invasives (lorsque des espèces exotiques perturbent l’équilibre des écosystèmes naturels et la biodiversité locale, on les qualifie d’« invasives »). Dans le sud de la Suisse, un palmier cultivé dans les jardins a entrepris depuis quelques années la colonisation du milieu naturel grâce aux hivers plus doux des dernières décennies (voir la figure ci-contre). Trachycarpus fortunei est un palmier originaire d’Asie du Sud-Est introduit à la fin du xviiie siècle en Europe où il est largement cultivé dans les parcs et les jardins depuis plus de deux cents ans. Grâce aux bons soins des jardiniers, les palmiers deviennent même adultes et fertiles. Dans le sud de la Suisse, une large population d’individus reproducteurs s’est ainsi établie dans les jardins. À partir des années 1950, on commence à trouver de jeunes palmiers dans des sites naturels relativement protégés. Dans les années 1970, les premières pousses de palmiers apparaissent dans la forêt. Ces pousses résistent à la concurrence des espèces locales et finissent par donner des individus fertiles. Au début du xxie siècle, une population subspontanée de palmiers reproducteurs (on parle d’espèce subspontanée lorsqu’une espèce cultivée échappée des jardins s’établit plus ou moins durablement dans une région où elle se mêle à la flore indigène) s’est établie au milieu de la forêt tempérée suisse… L’histoire de cette invasion suit de très près l’évolution des températures hivernales. Si, jusque dans les années 1950, les hivers suisses étaient bien trop rigoureux pour permettre aux palmiers de subsister sans intervention de l’homme, on a vu peu à peu apparaître puis se généraliser à la fin du XXe siècle des événements climatiques favorables à la survie des jeunes pousses. À partir des années 1980, les conditions climatiques sont devenues favorables en permanence aux palmiers (diminution du nombre de jours de gel dans l’année).

L’arrivée des palmiers et d’autres espèces exotiques dans le milieu naturel n’est pas sans conséquences pour les espèces locales. Au printemps, les espèces à feuilles caduques se développent moins bien à cause de l’ombre que leur font les espèces exotiques à feuilles persistantes et subissent leur concurrence.


Diminution du nombre de jour de gel par an dans le sud de la Suisse et augmentation du nombre d’espèces exotiques dans le milieu naturel.
axe bleu : nombre de jours de gel dans l’année
axe violet : années
axe vert : nombre d’espèces exotiques dans le milieu naturel
Source : Walther Gian-Reto et al., Nature 2002, vol 416 : 389-395.

Une disparition locale des espèces

Si les modifications climatiques permettent l’extension de l’aire de répartition et le développement des populations de certaines espèces, le processus inverse existe aussi : dans les zones qui ne leur sont plus favorables, les effectifs des populations diminuent jusqu’à la disparition locale de l’espèce.
Dans les montagnes du centre de l’Espagne, seize espèces de papillons ont disparu des zones les plus basses en trente ans pour remonter de 200 m en altitude, suivant ainsi l’élévation des températures. Mais cette modification de l’aire de répartition des papillons équivaut à la perte d’un tiers de la surface de leur habitat (plus on s’élève, moins il y a d’espace disponible). En montagne, cette problématique est relativement prégnante.

Reprenons l’exemple des étages de végétation de la première partie. Nous avons vu que ces étages dépendaient étroitement de la température et que celle-ci diminuait de 0,5 °C tous les 100 m. Avec un scénario de prévisions climatiques moyen (soit une augmentation de 3 °C d’ici 2100), chaque étage de végétation verrait sa limite supérieure s’élever de 600 m. En d’autres termes, il prendrait quasiment la place de l’étage supérieur actuel puisqu’un étage s’étend sur une amplitude de 700 m environ (à droite).
Ce déplacement en altitude des étages de végétation se traduirait par une modification des surfaces occupées par chaque étage, et notamment par une réduction très forte des surfaces des étages alpin (– 66 %) et nival (– 86 %). Or ces derniers abritent une grande richesse biologique (plus de 2 500 espèces de plantes à fleurs et fougères, soit 20 % de la flore européenne) et certaines espèces ne se trouvent que dans ces espaces (en Europe, 10 % des espèces de la flore alpine sont endémiques, c’est-à-dire présentes uniquement dans une zone géographique limitée). La perte de surface des étages alpin et nival signifie une perte d’habitat, une diminution des effectifs de nombreuses espèces et un risque de disparition pour certaines. Il faut également ajouter à la réduction de surface la difficulté de coloniser les zones de haute montagne, qui ne sont pas forcément très accueillantes : augmentation des terrains en forte pente, diminution de la qualité des sols… Autant d’obstacles qui peuvent limiter le déplacement des espèces et leur établissement en altitude. De plus, toutes les espèces ne seront pas capables de se déplacer en même temps, ni à la même vitesse. Ce qui fait que si l’on peut parler d’un étage subalpin, alpin ou nival à l’horizon 2100, celui-ci ne ressemblera de toute manière pas à l’étage subalpin ou alpin actuel, mais sera le fruit d’une recomposition, d’un nouvel assemblage d’espèces.

Déplacement en altitude des étages de végétation. Source : CREA. Adapté de Theurillat et Guisan, 2001, Climatic change 50 :77-109.

 

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