Les organismes habitent presque tous les environnements sur Terre, des cheminées chaudes au fond des océans aux étendues glacées de l’Arctique. Chaque environnement offre à la fois des ressources et des contraintes qui façonnent l’apparence des espèces qui l’habitent, ainsi que les stratégies que ces espèces utilisent pour survivre et se reproduire. Certains des modèles les plus larges de différences environnementales proviennent de la façon dont notre planète tourne autour du Soleil et de la distribution globale de la lumière solaire qui en résulte (Chapin et al. 2002). Sous les tropiques, où le rayonnement solaire est abondant toute l’année, les températures sont chaudes et les plantes peuvent faire de la photosynthèse en continu tant que l’eau et les nutriments sont disponibles. Dans les régions polaires, où le rayonnement solaire est limité de façon saisonnière, les températures moyennes sont beaucoup plus basses, et les organismes doivent faire face à des périodes prolongées où la photosynthèse cesse.
A travers les écosystèmes, les ressources et les contraintes environnementales façonnent la structure et la physiologie des organismes. L’un des plus anciens héritages environnementaux de la Terre est l’ensemble des éléments chimiques qu’elle contient (Schlesinger 1997). À sa naissance, la Terre a hérité d’atomes de carbone produits par des étoiles qui se sont consumées bien avant la formation de notre soleil. Ces atomes de carbone, avec leur capacité unique à construire des chaînes et des liaisons quadruples avec d’autres éléments, constituent l’épine dorsale de toutes les molécules organiques qui composent la vie actuelle (figure 2). L’azote et le phosphore sont également des éléments essentiels dans les organismes vivants, où ils jouent un rôle central dans la composition des protéines, des acides nucléiques et des composés énergétiques. Ces éléments ne sont pas toujours facilement disponibles pour les organismes, de sorte que les limitations en nutriments peuvent fortement contraindre les stratégies biologiques. Par exemple, l’azote gazeux inerte constitue 78 % de l’atmosphère terrestre, mais les formes d’azote facilement utilisables par les organismes sont généralement beaucoup plus rares dans les écosystèmes terrestres (Chapin et al. 2002). Au cours de l’évolution, les symbioses qui se sont développées entre les bactéries fixatrices d’azote et les plantes ont contribué à augmenter la disponibilité de l’azote dans de nombreux écosystèmes. Néanmoins, étant donné la forte concurrence pour l’azote et d’autres éléments, les écologistes constatent que les limitations en nutriments contraignent la vie dans de nombreux environnements (Chapin et al. 1986).
Les organismes sont encore façonnés par les propriétés physiques du milieu dans lequel ils vivent, notamment les densités et les températures du milieu. Par exemple, les mammifères marins comme les otaries de Stellar (Eumetopias jubatus) ont développé des corps profilés qui se déplacent efficacement dans l’eau, qui est plus de 700 fois plus dense que l’air, mais qui les ralentissent sur terre (figure 3a ; Riedman, 1991). Par conséquent, les otaries dorment sur le rivage, mais chassent leur nourriture principalement dans l’eau, où leur vitesse est optimisée.
Les écologistes étudient également comment la température influence l’écologie et l’évolution des espèces. Les organismes ralentissent ou gèlent généralement lorsque les conditions sont froides, mais ils surchauffent et perdent leurs fonctions lorsque les températures augmentent. De nombreuses espèces ont donc développé des caractéristiques qui les aident à se protéger contre les températures extrêmes et influencent leur écologie. Par exemple, alors que les otaries s’appuient sur d’épaisses couches de graisse pour s’isoler, les loutres de mer (Enhydra lutris) qui nagent dans les mêmes eaux froides dépendent d’une fourrure exceptionnellement épaisse pour conserver la chaleur. En conséquence, les loutres de mer passent plus de temps à se toiletter (figure 3b), et leur épaisse fourrure a attiré les chasseurs qui les ont pratiquement conduites à l’extinction (Riedman 1990). Sur terre, les recherches montrent que les plantes et les animaux à sang froid développent une coloration sombre et se positionnent de manière à maximiser le gain d’énergie solaire par temps frais. Dans les régions plus chaudes, les études révèlent que les animaux peuvent éviter le soleil intense, tandis que les plantes se protègent en transpirant de grandes quantités d’eau, en maximisant le flux d’air à travers leur feuillage, ou en entrant en dormance jusqu’au retour de températures plus fraîches. Certaines adaptations à la température peuvent être surprenantes. Par exemple, les scientifiques ont récemment découvert que les herbes qui poussent près des cheminées géothermiques acquièrent une tolérance à la chaleur grâce à un virus présent dans un champignon à l’intérieur de leurs racines (Marquez 2007).
La disponibilité de l’eau façonne davantage la dynamique écologique sur Terre. La vie primitive est apparue dans des écosystèmes aquatiques, et toutes les cellules vivantes ont encore besoin d’eau pour fonctionner. La disponibilité de l’eau est influencée par la température, car dans les climats très froids, l’eau est gelée et non disponible, et dans les climats très chauds, l’eau s’évapore rapidement. Les études écologiques sur les relations hydriques ont révélé que les organismes emploient un éventail étonnant de stratégies pour capter et conserver les ressources en eau. Par exemple, dans le désert brûlant du Namib en Afrique du Sud, le scarabée Stenocara survit en capturant l’eau de rares brins de brouillard qui se condensent dans des structures spéciales sur son dos (Parker et al. 2008).
Au niveau de la communauté, les écologistes communautaires étudient comment la disponibilité des ressources influence les caractéristiques de l’écosystème, notamment le nombre et les types d’espèces présentes. Par exemple, la quantité de carbone et d’énergie fixée lors de la photosynthèse par les plantes et les autres producteurs (par exemple, la productivité) limite la quantité de consommateurs qu’un écosystème peut accueillir. En raison de cette limite et parce que l’énergie est perdue à chaque étape de transmission dans un réseau alimentaire, les écosystèmes à faible productivité supportent généralement moins de biomasse de consommateurs que les systèmes à productivité plus élevée. Les écologistes ont identifié cette relation comme l’une des raisons possibles pour lesquelles la biodiversité est plus grande dans les forêts tropicales humides hautement productives que dans les systèmes moins productifs comme les déserts (Gaston 2000). Au sein des communautés, la variabilité environnementale peut entraîner des variations complexes dans la dynamique écologique. Par exemple, des chercheurs ont récemment découvert que de légères augmentations de la température peuvent accroître sensiblement l’agressivité de certains poissons des récifs coralliens (Biro et al. 2010). Ces changements de comportement peuvent augmenter l’exposition des poissons à la prédation et à d’autres risques.
Parce que l’environnement est à la fois dynamique et diversifié, les écologistes reconnaissent qu’il n’existe pas un ensemble unique d’attributs ou de stratégies écologiques qui font d’un organisme « le meilleur ». Toutes les populations et espèces vivantes changent continuellement en réponse aux pressions exercées par d’autres organismes et à la variabilité de la géologie et du climat de la Terre. Au fil du temps, cette danse d’interactions évolutives a donné naissance à un étonnant éventail d’organismes qui dépendent les uns des autres et se font concurrence à la surface de la planète. Pour reconstituer l’histoire écologique de la Terre, les écologistes et d’autres chercheurs recherchent des données de plusieurs types, notamment les cernes des arbres qui décrivent d’anciens schémas de sécheresse, les carottes de glace qui contiennent des bulles de l’ancienne atmosphère terrestre et l’ADN conservé dans des os d’animaux millénaires. Ces données montrent comment les organismes ont réagi aux changements environnementaux, notamment à l’extinction provoquée par les météorites qui a contribué à inaugurer l’ère des mammifères il y a 65 millions d’années.