ÉCOPHYSIOLOGIE: CE QU'ELLE ÉTUDIE ET SES APPLICATIONS CHEZ LES ANIMAUX ET LES PLANTES - LA BIOLOGIE - 2025

L' ecofisiología est la branche de l'écologie qui étudie la réponse fonctionnelle des organismes à s'adapter aux changements environnementaux. Chaque être vivant doit s'adapter à son environnement pour survivre et cette adaptation est à la fois structurelle et fonctionnelle.

Cette discipline est également connue sous le nom d'écologie physiologique ou physiologie environnementale et génère des connaissances de base et appliquées. Ainsi, il est possible de connaître la relation entre la physiologie d'un organisme et les altérations de l'environnement.

Expériences écophysiologiques. Source: Rasbak

De même, l'écophysiologie fournit des informations dans le domaine de la production végétale et animale pour générer de la nourriture. Par exemple, des études sur l'écophysiologie des plantes tolérantes aux conditions environnementales extrêmes ont été utiles pour l'amélioration génétique.

De même, les études écophysiologiques permettent de déterminer quelles sont les conditions environnementales les plus adaptées pour atteindre une plus grande productivité animale. Ainsi, des plages de variation des facteurs environnementaux peuvent être établies pour offrir un confort aux animaux dans les unités de production.

Qu'étudie l'écophysiologie?

L'écophysiologie est une discipline où convergent physiologie et écologie. Physiologie la science qui étudie le fonctionnement des êtres vivants et l'écologie aborde les relations entre les êtres vivants et leur environnement.

En ce sens, l'écophysiologie étudie la relation dynamique entre l'environnement changeant et les adaptations du métabolisme végétal ou animal à ces changements.

- Expérimentation écologique

Pour atteindre son objectif, l'écophysiologie applique à la fois la recherche descriptive et la méthode expérimentale. Pour cela, il identifie les facteurs physico-chimiques qui agissent dans l'environnement et détermine leur effet sur l'organisme.

Ces facteurs peuvent être des ressources que l'organisme utilise pour sa survie ou des conditions qui affectent son fonctionnement. Par la suite, la réponse physiologique de l'organisme vivant aux variations dudit facteur est établie.

Systèmes métaboliques impliqués

Il est nécessaire d'identifier les systèmes organiques et fonctionnels impliqués dans la réponse adaptative de l'organisme au changement d'un certain facteur. Par exemple, lorsqu'il y a des changements de température, il y a une réponse du système thermorégulateur de l'individu.

Conception expérimentale

L'écophysiologie utilise la conception d'expériences pour établir la réponse physiologique de l'organisme aux changements d'un facteur. Un exemple de ceci peut être la soumission d'individus d'une espèce végétale à différentes concentrations de sel dans le substrat.

- Types de changements environnementaux

Une fois les facteurs à étudier définis, il est nécessaire d'identifier les changements qui se produisent dans l'environnement et leur nature temporelle, en définissant trois types:

Changements cycliques

Ces changements sont périodiquement récurrents, comme l'alternance des saisons climatiques ou jour et nuit. Face à ces derniers, l'être vivant a développé un fonctionnement cyclique, suivant le rythme des changements environnementaux.

Cycle jour et nuit. Source: Caliver

Par exemple, la chute des feuilles pendant la saison sèche pour réduire la transpiration due au manque d'eau. Dans le cas des animaux, il y a aussi des adaptations à ces changements cycliques; par exemple le changement de plumage de certains oiseaux.

Le lagopède alpin (Lagopus muta) de la toundra a une homochromie saisonnière et présente un plumage d'hiver blanc, tandis qu'au printemps, il prend des tons foncés et panachés. Ainsi, leur camouflage est adapté au blanc uniforme de la neige puis aux tons sombres de l'environnement le reste de l'année.

Une autre adaptation des animaux aux changements cycliques est l'hibernation des ours et d'autres espèces en hiver. Cela implique des changements du taux métabolique qui incluent la diminution des fonctions corporelles, telles que la température et la fréquence cardiaque.

Changements aléatoires

Ces types de changements se produisent de manière aléatoire, sans régularité établie. Par exemple, le glissement de terrain d'une pente de montagne, un déversement de pétrole ou l'arrivée d'un nouveau prédateur ou agent pathogène.

Ces types de changements représentent un plus grand risque pour l'espèce, car ils se produisent de manière drastique, et dans ces cas, la réponse des organismes dépend de la plasticité des fonctions déjà existantes.

Changements de direction

Ce sont des changements dans l'environnement causés intentionnellement par les humains à certaines fins. Un cas de ceci est la déforestation d'une forêt pour établir un pâturage ou l'intervention d'une zone humide pour cultiver le riz.

- Postulats généraux

Partant de l'accumulation de preuves expérimentales et d'observation dans l'environnement naturel, l'écophysiologie tente de définir des postulats généraux. Ce sont des principes généraux qui émergent de la régularité de certaines réponses physiologiques aux changements environnementaux.

Loi du minimum de Liebig

Sprengel (1828) a postulé que le facteur déterminant dans la croissance d'un organisme est le plus rare dans l'environnement. Plus tard, ce principe a été popularisé par Liebig (1840) et est connu sous le nom de loi du minimum ou loi de Liebig.

Bartholomew (1958) a appliqué ce principe à la distribution des espèces, en soulignant qu'elle est déterminée par le facteur environnemental le plus limitant.

Loi de tolérance de Shelford

En 1913, Victor Shelford a déclaré qu'une certaine espèce existe dans une plage de variation définie pour chaque facteur environnemental et leurs interactions. C'est ce qu'on appelle les limites de tolérance, en dehors desquelles l'espèce ne survit pas.

Loi de la tolérance de Shelford. Source:

Ce principe définit que dans l'amplitude de variation d'un certain facteur environnemental, il y a trois états possibles pour l'organisme. Ces états sont optimaux, le stress physiologique et l'intolérance.

En ce sens, dans la fourchette optimale du facteur, les populations de l'espèce seront abondantes. En s'éloignant de l'optimum, on entre dans une zone de stress où les populations diminuent et, en dehors de la limite de tolérance, l'espèce disparaît.

- Technologie numérique et écophysiologie

Comme dans toute science, les études écophysiologiques ont été renforcées par le développement de nouvelles technologies. Du fait de son caractère expérimental, cette discipline a notamment été favorisée par le développement du numérique.

Il existe aujourd'hui une diversité d'appareils électroniques portables qui permettent de mesurer les facteurs environnementaux sur le terrain. Parmi ceux-ci figurent les compteurs de rayonnement solaire, la température, l'humidité relative, la surface foliaire, entre autres.

Exemples d'applications chez les animaux

- Effet de la température sur la productivité des animaux d'élevage

Un domaine très pertinent est l'écophysiologie appliquée à la production animale, qui cherche à comprendre la réponse des animaux reproducteurs à la variation des facteurs environnementaux. L'un de ces facteurs est la température, compte tenu de la tendance actuelle à l'augmentation de la température moyenne mondiale.

Homéothermie

La grande majorité des animaux reproducteurs sont homéothermiques, c'est-à-dire qu'ils maintiennent une température interne stable malgré les variations environnementales. Ceci est réalisé grâce à l'investissement d'énergie chimique pour compenser les augmentations ou les diminutions de la température extérieure.

Ce processus de compensation de température externe est réalisé par thermorégulation, qui implique l'hypothalamus, le système respiratoire et la peau.

Poules pondeuses

L'heure de la journée à laquelle une poule pondeuse est nourrie a été jugée importante pour sa productivité. Dans ce cas, il s'agit de la capacité d'assimilation de l'aliment en fonction du stress thermique.

Poules pondeuses. Source: Peloy (Allan HM)

Si l'aliment est fourni aux heures les plus chaudes de la journée, la poule l'assimile moins et sa production diminue. Par conséquent, l'augmentation de la température ambiante implique une diminution de la productivité des poules élevées en plein air.

Bétail

L'augmentation de la température oblige les animaux à activer des mécanismes physiologiques de thermorégulation. Cela implique un investissement d'énergie qui est soustrait de la prise de poids ou de la production de lait.

D'autre part, à mesure que la température augmente, les animaux varient leurs priorités alimentaires. Dans ces cas, la consommation d'eau augmente et la consommation de matière sèche diminue, avec pour conséquence une perte de poids.

- Pollution et grenouilles

Les études écophysiologiques permettent de relier la physiologie des espèces animales à leur environnement et d'établir les éventuels effets négatifs de la pollution. Un exemple de ceci est l'état actuel de menace auquel les grenouilles et les crapauds sont soumis.

Grenouille (Atelopus zeteki) sensible à la pollution. Source: Brian Gratwicke

Environ la moitié des 6 500 espèces connues d'amphibiens sont menacées d'extinction. Ces animaux sont très sensibles aux changements de température, d'humidité ou de contaminants environnementaux.

La respiration et la circulation des amphibiens

La physiologie de la respiration des amphibiens est très particulière, car ils respirent à la fois par les poumons et par la peau. Lorsqu'ils sont hors de l'eau, ils utilisent leurs poumons et dans l'eau qu'ils respirent à travers leur peau, qui est perméable à l'O2, au CO2 et à l'eau.

Impact

La forme de la respiration rend ces animaux sensibles à l'absorption des polluants de l'air et de l'eau. D'autre part, en raison de la faible concentration d'oxygène dans l'eau, ils s'affaiblissent car ils ne l'absorbent pas correctement.

Dans ces conditions, ils peuvent mourir ou devenir faibles et être susceptibles d'être attaqués par des champignons et des bactéries pathogènes. L'une des plus grandes menaces est le champignon pathogène Batrachochytrium dendrobatidis, qui inhibe la circulation des électrolytes dans la peau.

Exemples d'applications dans les usines

- Écophysiologie des plantes

Le réchauffement climatique entraînera la production de certaines cultures dans certaines régions en raison de la loi de tolérance. En d'autres termes, des facteurs tels que la disponibilité de l'eau sortiront de la plage de tolérance de l'espèce.

Xerophytes. Source: Tomas Castelazo

Cependant, les espèces des zones arides ont développé des stratégies pour s'adapter au déficit hydrique. En ce sens, la recherche en écophysiologie des plantes des zones arides offre des pistes d'amélioration phytogénétiques.

Osmolytes

L'une de ces stratégies est la modification de l'expression des gènes pour produire des protéines qui aident à tolérer le déficit hydrique. Parmi ces protéines, il y a les osmolytes qui aident les cellules à maintenir leur turgescence même avec peu d'eau.

La connaissance de ces protéines et de leur métabolisme peut être utilisée par génie génétique pour améliorer les cultures.

- Écophysiologie des plantes halophiles

L'un des problèmes auxquels l'agriculture est confrontée est la salinité des sols due à la concentration de sels ajoutés par les eaux d'irrigation. Au fur et à mesure que les sols sont salinisés, moins les terres cultivables sont disponibles pour la production alimentaire.

Plantes halophiles

Cependant, il existe des espèces de plantes adaptées pour survivre dans des conditions de forte concentration de sels dans le sol. Ce sont les plantes dites halophytes (Halos = sel; phyto = plante).

Ces espèces ont développé une série d'adaptations morphologiques et physiologiques comme mécanismes pour éviter l'absorption du sel, l'immobiliser ou l'excréter.

Plantes halophytes comme nourriture

La connaissance de l'écophysiologie de ces plantes sert de base au développement de systèmes agricoles et à leur utilisation comme source de nourriture. De cette manière, les espèces halophytes cultivées sur des sols agricoles salinisés peuvent être utilisées comme aliments pour le bétail.

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