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Versatilité de la Biodiversité : Milieux extrêmes, Arides, Froids, Adaptations… Michel LE BERRE & Raymond RAMOUSSE CONSERVATION & DEVELOPPEMENT DURABLE.

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1 Versatilité de la Biodiversité : Milieux extrêmes, Arides, Froids, Adaptations… Michel LE BERRE & Raymond RAMOUSSE CONSERVATION & DEVELOPPEMENT DURABLE CONSERVATION & SUSTAINABLE DEVELOPMENT

2 Milieu alpin 2200 m, au-dessus de la limite des arbres. Pelouse alpine Forte variabilité climatique durée de lenneigement : environ 6 mois Période végétative : Période continue de l'année pendant laquelle la température et l'humidité du sol permettent aux plantes de croître. 5 à 3 mois Les milieux froids

3 Toundra Hiver long, froid et nuit polaire (- 40°C) Eté court (+ 10°C), avec dégel en surface, et explosion intense de croissance végétale et jour polaire Pergélissol : sol ou roche dont la température est < 0°C durant toute lannée. réduit la croissance de la végétation (absence darbres) La couche active (0,1-1,0 m) fond chaque été et gèle chaque hiver Période végétative courte : 2 mois Saison hivernale : Période critique pour les animaux Températures basses : inhibition photosynthèse et destruction des tissus Disponibilité alimentaire faible ou nulle : Plantes desséchées et/ou inaccessibles

4 Les êtres vivants survivent grâce à une dépense constante dénergie E, fournie par loxydation des aliments. métabolisme de repos : entretien métabolismes dactivités, croissance, gestation… Métabolisme : somme de toutes les réactions chimiques se produisant dans un organisme, conversion de lénergie chimique en énergie thermique Processus de dégradation : catabolisme Processus de synthèse : anabolisme Energétique et environnement Température du corps : fonction de la quantité de chaleur (en calories) contenue par unité de masse de tissu (capacité thermique des tissus = 1 cal. °C-1 g-1) Chaleur corporelle = chaleur produite + (gains en chaleur - pertes de chaleur) = chaleur produite + chaleur transférée

5 Classification des animaux par leur température Homéothermes Maintien dune température corporelle (Tc) au-dessus de la température ambiante (Ta). Régulation de Tc par contrôle de la production et de la perte de chaleur. Poïkilothermes Tc fluctue plus ou moins avec la température ambiante (Ta). certains Poissons des profondeurs : températures plus stables que beaucoup de vertébrés supérieurs certains poïkilothermes régulent leur température en contrôlant les échanges thermiques avec lenvironnement (lézards) beaucoup dOiseaux et de Mammifères sont capables de laisser leur température varier fortement, soit régionalement, soit dans tout le corps, pendant un certain temps Mais

6 Source de chaleur ExterneInterne Non Oui Ectotherme hétérotherme Ectotherme Homéotherme partiels Endotherme hétérotherme Endotherme homéotherme Oiseaux Mammifères Oiseaux Mammifères Reptiles Amphibiens Certains poissons Certains insectes Classification basée sur la source de chaleur corporelle Torpeur Hibernation estivation Régulation

7 Produisent leur propre chaleur comme sous-produit du métabolisme Capacité délever leur température au-delà de celle de lenvironnement Conductance thermique relativement faible. Endothermes homéothermiques : Mammifères et Oiseaux Régulation thermique précise Endothermes hétérothermiques : Certains gros Poissons (thons, requins) et Insectes volants sans régulation thermique précise Endothermes Hétérothermes temporaires : Animaux dont la température peut largement varier dans le temps Monotrèmes ovipares, Insectes, Reptiles et Poissons augmentant leur température par production de chaleur musculaire Certains Mammifères et Oiseaux : homéothermes en période dactivité et hétérothermes en état de torpeur ou dhibernation

8 Ectothermes Animaux produisant peu de chaleur métabolique et dépendant presque totalement de la chaleur de leur environnement. Conductance thermique élevée (forte perte de chaleur métabolique, mais rapide acquisition de chaleur à partir du milieu - importante régulation comportementale de la température corporelle (déplacement vers un microclimat propice) Incapacité de tout animal de survivre à une congélation complète de ses tissus. Mécanismes développés par certains Animaux pour résister à des états proches de la congélation. Ectothermes dans les environnements froids et glacials Dominance numérique et spécifique des ectothermes sous les tropiques Dominance des endothermes à mesure du déplacement vers les régions polaires Ectothermes occupent des niches trop pauvres en énergie pour les endothermes

9 Refroidissement des liquides organiques en dessous de la température de congélation sans formation de glace - Augmentation de la concentration en glycérol chez les Arthropodes durant lhiver (abaissement de la température de congélation à -17°C) Présence de substances antigels cryoprotectrices Concentration en solutés chez un Arthropode (Eurosta solidaginis) acclimatés aux basses températures Protection contre la congélation des liquides intracellulaires grâce à une substance accélérant la nucléation des liquides extracellulaires. Présence de protéines favorisant la nucléation (Scarabées)

10 - Présence dune glycoprotéine antigel ( fois plus efficace que NaCl) chez certains Poisson de lAntarctique (abaissement de la température à laquelle les cristaux de glace grossissent, et non pas la température de fusion de leau) Activité maximale des enzymes à des températures nettement inférieures à celle despèces vivant dans des environnements plus chauds Présence denzymes adaptées aux basses températures Trematonus sp. Eau à 1,9°C Tolérance max. + 6°C

11 Endothermes homéothermes dans les environnements froids et glacials Mécanismes de régulation de la température corporelle Point de consigne, contrôle hypothalamique T° ambiante, différence T°i/T°a = déperdition de chaleur T° ambiante, différence T°i/T°a = dissipation de chaleur Production de chaleur de lorganisme (thermogenèse de réchauffement) Dépense E supplémentaire et accroissement de lapport alimentaire Chez les homéothermes : maintien dune température interne (T°i) constante.

12 Zones de neutralité thermique, de régulation métabolique et de dissipation de chaleur

13 Utilisation préférentielle de la graisse brune (tissu adipeux brun), fortement vascularisée, et pouvant être oxydées rapidement in situ activation, par le système nerveux, de muscles squelettiques antagonistes, entraînant un simple frémissement (frisson) hydrolyse dATP suite à lactivation du muscle, fournissant lénergie de la contraction contractions musculaires asynchrones et antagonistes - pas de travail fourni - libération de lénergie sous forme de chaleur Thermogenèse par le frisson Moyen de libérer de la chaleur en utilisant la contraction musculaire Mécanismes de la thermogénèse au froid Thermogenèse sans frisson Dégradation et oxydation des graisses, avec fourniture de chaleur

14 Thermostat physiologique : lhypothalamus Système de contrôle de la température (valeur critique Tcr). Thermosenseurs dispersés dans diverses régions du corps. Production, ou dissipation, proportionnelle de la chaleur en fonction de la différence (Tc -Tcr)

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16 Endothermes homéothermes. Mécanismes de régulation des échanges thermiques : adaptations comportementales Migration en fin dété pour une zone plus chaude à la recherche de nourriture Fréquent chez oiseaux. souvent stockage dénergie sous forme de graisse Altitudinale : cerf (Cervus elaphus) et chamois (Rupicapra rupicapra). Nord-Sud : Caribou, Rangifer tarandus caribou. Rare chez mammifères :

17 Recherche ou création dun abri Terrier : Marmottes (Marmota) Réalisation de nid : Lemming, Lemmus sibiricus Occupation dune tanière, ours brun (Ursus arctos), ou réalisation dun abri dans la neige, ours polaire (Ursus maritimus)

18 Thermorégulation sociale Marmota marmota et Marmota camtschatica, espèces vivant en groupes familiaux GF) monogames territoriaux : - Couple reproducteur - Progéniture de la portée de lannée précédente ou des deux portées précédentes. Les membres dun GF hibernent dans le même terrier : 2 à 18 (M. m.). Les membres de plusieurs GF hibernent dans le même terrier : 6 à 36 (M. c.). Lhibernation en groupe température critique dhibernation avec laugmentation du nombre danimaux (5°C, M. m ; -5°C, M. c.). perte de masse corporelle en fin dhibernation (30-50%, M. m ; %, M. c.). Synchronisation des entrées et des sorties de tous les membres dun groupe familial. Les adultes et subadultes se réveillent en premier et réchauffent les plus jeunes au contact de leur corps.

19 Isolation par la fourrure, Mammifères. Règle de la fourrure Valeurs de lisolation produite par la fourrure dhiver chez les mammifères (Folk 1966) Réduction de la conductance thermique superficielle Ours blanc Ursus maritimus supporte - 50° C, grâce à sa fourrure et une épaisse couche de graisse sous-cutanée. Clo : unité du pouvoir isolant Isolation par les plumes et duvet, Oiseaux Harfang des neiges Nyctea scandiaca Adaptations morpho-physiologiques

20 Régulation de conductance par variation du flux sanguin Contrôle du flux sanguin pour modifier le gradient de température Piloérection gonflement de la fourrure ou des plumes. Isolation thermique par fourrure ou couche adipeuse Acclimatation Changement de pelage (Mue) ou de couche adipeuse Hyperglobulie daltitude (raréfaction en O 2 ) Accumulation de graisse brune (tissu adipeux brun)

21 Augmentation de la taille - réduction du rapport surface/volume Règle de Bergmann Un animal plus gros a une surface relative < à celle dun animal de plus petite taille perte de chaleur réduite Taille des loups, renards, sangliers du nord-est au sud-est en Eurasie Mais exceptions : le renne ou lièvre des neiges. La taille des animaux dépend de la température et atteint un un maximum spécifique à une température donnée. Au-dessus et au-dessous de cette température, la taille

22 Réduction relative des appendices chez les Mammifères des zones froides (Règle dAllen) La petitesse des appendices (oreilles, pattes et queue) du lemming arctique (Lemmus sibiricus) réduit la perte de chaleur, Ainsi que leur pelage est plus épais en hiver quen été. Variation graduelle de la taille, de la surface des oreilles et du museau Chez le renard arctique Alopex lagopus, Le renard dEurope Vulpes vulpes, Le fennec saharien Megalotis zerda

23 Echangeurs à contre-courant des membres locomoteurs Les membres locomoteurs présentent : Réduction des couches isolantes afin dassurer une locomotion efficace Forte vascularisation des muscles locomoteurs Rapport surface/volume élevé (membres fins et allongés) perte importante de chaleur - diminution très marquée de la température des membres des endothermes vivant en environnement froid : Loups et Caribous Différences régionales des propriétés des lipides chez quelques Mammifères, au niveau des membres qui peuvent être soumis à des températures plus basses que le reste du corps

24 - chez les Mammifères marins, artère centrale étroitement entourée de plusieurs veines. Nageoires des Cétacés et des Phoques -chez les Oiseaux contact étroit entre les artères et les veines Pattes des échassiers artères transportent le sang chaud venant du corps vers lextrémité des membres et les veines ramènent le sang refroidi au tronc. Bernache du Canada,Brenda canadensisDauphin du Pacifique, Lissodelphis borealis

25 Faire des réserves de nourriture Stock externe de plusieurs kilogrammes de graines dans des chambres de réserves des terriers : Hamster dEurope Cricetus cricetus Stock dans son propre organisme pour les herbivores Protéines dans les muscles Sucre (glycogène) dans le foie Lipides dans tissus adipeux Lipide 9 kcal/g, sucre ou protéine 4 Kcal/g Les tissus adipeux ne contiennent pas deau, économie de poids. Mouton Awassi

26 Endotherme hétérotherme : Torpeur, estivation, hibernation Torpeur Légère de la T°i quand T°a, qui sarrête dès que T°a Ours, reproduction pendant lhiver. Cœur pulsations/mn 8-12 b/mn, rythme respiratoire / 2 Blaireaux, ratons laveurs et opossums Musaraigne musette (Crocidura russula) Été : homéotherme Hiver : T°i à 18°C pendant la nuit Somnolence hivernale Hypothermie modérée pendant lhiver, avec réveils, sans interruption des activités physiologiques. Blaireaux, ratons laveurs et opossums. Ours dans sa tanière

27 Réponses périodiques de certains endothermes, non migrants, à des conditions extrêmes défavorables (pénurie alimentaire, chaud ou froid) grâce à des réserves de graisse et à un abaissement de la température interne à quelques degrés au- dessus de T°a, entraînant une réduction du métabolisme. Estivation : Léthargie avec T°c voisine de la T°a, durant plusieurs jours ou semaines lorsque les T° estivales sont maximales ou/et lors de sécheresse. Mécanisme non connu. Marmotte des steppes, Marmota bobac Spermophile du Columbia, Spermophilus columbianus. Hibernation : Léthargie avec hypothermie profonde régulée (T°c voisine de 0°C), durant plusieurs jours ou semaines qui permet aux animaux de conserver leurs énergies pendant lhiver. T° hivernales minimales Marmota bobac Hibernation - Estivation Surtout les mammifères de petite taille

28 Hibernants obligatoires Lérot (Eliomys quercinus), hiberne dès que T°a < 6°C pendant 48 h en été, que T°a < 20°C pendant 24 h en hiver. Hibernants saisonniers Nhibernent quà des dates données (rythme annuel). Marmottes, spermophiles. Hibernants facultatifs Hibernent dès que différents facteurs (T°, réserves alimentaires, photopériode, …) sont réunis Hamster doré, Mesocritus auratus

29 Mécanismes dhibernation saisonnière chez les marmottes Activité au printemps, en été, et au début de lautomne Homéothermie 37-39°C - Reproduction - Gain de masse corporelle et accumulation de réserves lipidiques Environ 30% masse corporelle totale Alternance saisonnière : photopériode (durées jour-nuit), Horloge circadienne (cerveau) Anticipation de la période hivernale Hibernation en hiver : M.m., 6 mois ; M.c., 3-3,5 mois - Intérieur de terrier bouché - Posture, réduction surfaces déchanges - Hypothermie, au-dessus de 0°C

30 - Réduction des rythmes physiologiques et du métabolisme T° vitesse des réactions chimiques Dépenses E / 15 - Intervention de la dépression métabolique, indépendant T° réduction supplémentaire de dépenses : E / 20 à 100 Phénomènes physiologiques lors de lentrée en hibernation, chez M. monax Lyman 1958 Diminution température (4° C) consommation doxygène rythme respiratoire (apnée 1-14 mn) rythme cardiaque (150 b/mn - 4 b/mn) flux sanguin taux dhormones de croissance Accumulation CO 2, acidose respiratoire Thermostat déclenche la thermogenèse de réchauffement si T° voisine 0°C Régions du cerveau actives : fonctions végétatives, traitement des informations sensorielles, hypothalamus (horloge circadienne) Disparition des ondes EEG

31 - Retours périodiques nécessaires à la normothermie : 24 h, environ tous les15 jours Passage en qq heures de T°i de 2 à 37°C Hypothèse(s) ? Renouvellement des protéines (Wang 1993), dette de sommeil (Barnes et al. 1993)

32 Supporter labaissement de la température interne - Recyclage de lurée Arrêt du rein Urée passe du sang à lintestin urée recyclée par bactéries en ac. aminés, réutilisés - Adaptation homéovisqueuse de la membrane cellulaire Membranes cellulaires contr ô lent les phénomènes électriques : - fonctionnement des neurones - contractions cellules cardiaques et musculaires - mouvements deau et de substances. bicouche lipidique (incluant des protéines) Cœur de mammifères non hibernants cesse de battre à 18°C Cœur des hibernants fonctionnel vers 0°C

33 Fonctionnement de la membrane suivant létat des lipides Dépendance des températures basses températures : viscosité des lipides températures élevées : viscosité, membrane hyperfluide Dépendance de la composition moléculaire des lipides Une ou plusieurs doubles liaisons = insaturation.

34 plus il y a de doubles liaisons carbone-carbone insaturées, plus le point de fusion des lipides est bas plus il y a dacides gras saturés, plus la fluidité membranaire diminue à basse température Hibernants à régime riche en lipides saturés Hibernants à régime riche en lipides insaturés Épisodes dhibernation courts longs T°i basseplus basse Dépense E réduiteplus réduite Les acides gras le plus insaturés sont dits essentiels Ex. Ac. linoléique Ne sont pas synthétisés par les mammifères Doivent être apportés par lalimentation Marmottes alpines (Marmota marmota) consomment préférentiellement des plantes riches en acide linoléique (moins de 2% des plantes de la prairie alpine).

35 Inhiber le métabolisme Freiner lactivité musculaire dépenses E du cerveau (20% dépense totale à 37°C) les réactions chimiques : blocage des enzymes Facteur inhibiteur des différents points de contrôle : Acidose respiratoire (accumulation du CO 2 ) Action indirecte du CO 2 Acidification du sang et lipides intracellulaires contrôle enzymes, protéines de transport contrôle prodution de chaleur dans tissu adipeux brun Action directe Liaison directe avec enzymes ou protéines et leur inactivation. Souvent, périodes dabondance alternent avec périodes de disette, dues au froid ou à la sécheresse. Hibernation est présente chez nombreuses espèces de pays peu froid. Un point commun : économie dénergie


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