Apprendre avec des lichens

Par Andrew Kett, Sonia Dong, Heather Andrachuk et Brian Craig

Traduction par Jocelyne Dickey

Rendre concrets et significatifs pour des étudiants des problèmes environnementaux comme la pollution de l’air peut représenter tout un défi. Les étudiants apprennent les concepts généraux et les causes et effets les plus évidents – les gaz à effet de serre, les pluies acides, le changement climatique – mais souvent les problèmes semblent si grands et intangibles qu’ils ont parfois de la difficulté à comprendre comment ces problèmes affectent leur vie quotidienne. Effectivement, aussi bien les instructeurs que les étudiants peuvent courir le risque de “se perdre dans les broussailles”, de trop conceptualiser et de ne pas percevoir les détails. À titre d’éducateurs, notre but est de convertir ces problèmes environnementaux en des situations importantes, locales et concrètes, pour montrer aux étudiants comment ces problèmes affectent l’environnement local selon des manières que l’on peut voir et sentir. Quand on enseigne sur la pollution de l’air, une manière d’atteindre cet objectif est de demander aux étudiants de surveiller la qualité de l’air en utilisant des lichens, qui agissent comme indicateurs biologiques.

Que sont les lichens?

Au premier coup d’œil, les lichens peuvent ressembler à une sorte de champignon, mais un examen plus approfondi révèle qu’il s’agit d’une forme d’organisme vivant unique. Chaque lichen est composé non d’un seul, mais de deux organismes: un champignon et une algue ou cyanobactérie. Les deux organismes vivent dans une relation symbiotique où l’algue fournit l’énergie nécessaire au moyen de la photosynthèse, alors que le champignon fournit l’abri et la protection.

Il existe environ 20 000 espèces de lichens dans le monde, et 3 600 se trouvent en Amérique du Nord. Les lichens couvrent huit pour cent de la surface terrestre, et peuvent croître presque partout : sur la terre, les roches, les arbres et même sur des surfaces construites par les humains. Ils vivent dans certains des habitats les plus inhospitaliers, incluant les cimes des montagnes, les déserts et les régions polaires. Même si les lichens poussent parfois sur les arbres et les arbustes comme épiphytes, ils n’extraient pas de nutriments des surfaces sur lesquelles ils poussent, mais absorbent les nutriments de l’atmosphère. Les lichens possèdent une vaste gamme de couleurs, de tailles et de formes. Il peuvent aussi changer de couleur durant une pluie, car ils absorbent l’eau et produisent de l’énergie alimentaire. C’est l’une des qualités surprenantes des lichens et peut-être est-ce la clé de leur survie sous des climats inhospitaliers: ils peuvent sécher complètement, devenir fragiles et brûlés, mais ils se réhydratent rapidement dès qu’il y a une disponibilité d’humidité dans leur environnement.

Les lichens comme indicateurs biologiques

Bien que les climats difficiles ne représentent pas un problème spécial pour les lichens, les scientifiques savent depuis plus de 140 ans qu’ils sont très sensibles à la pollution de l’air. Ils n’ont pas de racines, alors ils dépendent de sources aériennes pour les nutriments. Ils n’ont pas de cuticule, la couche cireuse qui protège les plantes et ils sont alors complètement exposés aux polluants présents dans l’air. Au fur et à mesure qu’ils absorbent les nutriments, ils absorbent aussi lesdits polluants, lesquels s’accumulent dans leurs tissus. De plus, la morphologie des lichens (à la différence d’un arbre caduque, par exemple) de change pas avec le passage des saisons, ce qui signifie que les lichens accumulent ces substances durant toute l’année.

Parce qu’ils répondent autant à la présente de pollution et aux changements de l’environnement, les lichens sont utilisés comme indicateurs biologiques. Comme les canaris dans les mines de charbon, ils peuvent nous donner des signaux d’avertissement dans des environnements non salubres. Plusieurs études ont démontré que l’abondance et la diversité de lichens diminuent à mesure qu’augmentent le développement urbain et l’activité industrielle. Le dioxyde de soufre, en particulier, est fortement associé à une diminution dans les populations de lichens. Ce sous-produit commun de la combustion d’énergie fossile interrompt apparemment la photosynthèse et le transfert de carbohydrates de l’algue (ou cyanobactérie) au champignon. Le dioxyde de soufre est en plus l’un des composants majeurs des pluies acides qui rendent l’écorce des arbres moins propice à la croissance des lichens. À mesure que la concentration de dioxyde de soufre augmente, l’abondance de lichens diminue. Cependant, les populations de lichens ne disparaissent pas complètement. Différentes espèces ont différents niveaux de tolérance aux polluants. Certaines survivent dans des environnements fortement contaminés, alors que d’autres périssent si les conditions ne sont pas idéales. Aussi, des études simples sur la présence ou l’absence d’un type particulier de lichen peuvent permettre à une classe d’étudiants d’effectuer une évaluation précise et scientifiquement valable de la qualité générale de l’air dans un site en particulier.

Projets de bio-surveillance

Plusieurs instructeurs intègrent un projet de surveillance de la qualité de l’air ambiant qui utilise des lichens dans leurs unités d’écologie, de chimie ou biologie ou dans des projets indépendants pour les niveaux supérieurs du secondaire. Ces projets incluent l’écologie, la pollution, le changement climatique et la diversité biologique. De même, ces projets de surveillance peuvent être associés à des thèmes de géographie (élaboration de cartes, système GPS de localisation globale, thèmes d’environnement), mathématiques (analyse de données), éducation civique (conscience civique sur l’environnement, influence sur le processus de prise de décisions) ou arts (photographie, dessin, sculpture).

Étant donné que les lichens ont une vaste distribution géographique, ces études peuvent se dérouler dans des régions étendues et même si les lichens croissent lentement, ils ont une surprenante longévité, ce qui permet des études à long terme. L’étendue et la profondeur d’une étude de surveillance dépend du degré de l’intérêt et de l’implication du professeur et de ses étudiants ainsi que des raisons pour réaliser l’étude. Peut-être êtes-vous intéressés dans une étude initiale superficielle, qui demande seulement d’aller sur le terrain pour identifier des lichens et faire une inspection simple. Ou bien êtes-vous intéressés à étudier les lichens de la région environnante de l’école pour évaluer la qualité de l’air de cette région, ou désirez-vous obtenir des réponses spécifiques sur certaines sources de pollution ou recueillir des données pour les adresser au gouvernement ou collaborer à une base de données de scientifiques.

Puisque les lichens poussent durant toute l’année, la surveillance peut être réalisée à toute époque de l’année, mais pour éviter des conditions climatiques difficiles, il est préférable de mener ces études durant les mois tempérés du cycle scolaire. C’est une bonne idée de planifier des voyages sur le terrain avec des dates alternatives en cas de précipitations, étant donné que la pluie ou la neige causent des changements physiologiques sur les lichens (ils changent de couleur et deviennent plus difficiles à identifier).

Étudiante de l’Université Brock apprenant à identifier des lichens, ce qui fait partie du cours d’entraînement pour “jeunes moniteurs de jeunes”, organisé par le réseau de Monitorat et évaluation écologiques (Ecological Monitoring and Assessment Network) d’Environnement Canada.

Sélection d’espèces

Au début du projet, les considérations les plus importantes sont probablement celles reliées au choix des espèces à surveiller et comment les surveiller. Afin de réussir la bio-surveillance, les spécialistes en lichens ont identifié des groupes d’espèces indicatrices pour différents types de boisés et ont développé des guides de terrain qui contiennent des photographies ou des dessins desdites espèces, ainsi que des explications sur leurs caractéristiques uniques1. Les lichens de chaque groupe ont un intervalle de tolérance à la pollution qui va de très tolérant à très intolérant. Souvent, les différents lichens de chaque groupe demandent des méthodologies ou des protocoles particuliers de surveillance. La majorité des groupes contiennent 15 ou 20 espèces, mais si étudier autant d’espèces est une tâche trop complexe pour une classe d’étudiants, les scientifiques ont développé des groupes d’au plus quatre espèces qui peuvent aussi être efficaces. Des références comme le grand livre Lichens of North America2 peuvent servir de guides pour que les instructeurs et les élèves identifient les lichens qui ne sont pas inclus dans de tels groupes de bio-surveillance.

Protocoles

Les instructeurs qui sont intéressés à réussir un projet de surveillance en utilisant des lichens devraient consacrer du temps à lire et réfléchir sur les différents protocoles de surveillance. Généralement, ils se divisent en deux groupes qui se concentrent sur les lichens qui croissent sur les arbres. Le premier type requiert l’examen de tout le tronc de l’arbre jusqu’à une hauteur approximativement égale à la hauteur du tronc humain, notant chaque espèce de lichen et estimant son abondance. Cette méthode est particulièrement utile dans des régions où l’abondance et la variété des lichens se font rares, ainsi que dans des régions très polluées ou des régions urbaines. Le deuxième type de protocole prend en compte seulement la partie du tronc de l’arbre qui est habituellement marqué avec un petit quadrillage ou “échelle”. Ce type d’étude est très utilisé en Europe et dans les régions où la diversité et l’abondance des lichens sont élevées. Choisir le type de protocole le plus adéquat peut être difficile, car chacun possède ses avantages et ses désavantages. La méthode de l’échelle permet aux étudiants d’évaluer l’abondance rapidement et facilement et offre l’avantage qu’elle peut être répétée et être plus objective que les estimations d’abondance qui demandent tout le tronc. Cependant, les étudiants qui utilisent la méthode de l’échelle peuvent laisser passer certaines espèces présentes dans le site donné, à moins de répéter le test plusieurs fois3.

Pour les classes d’élèves qui choisissent des projets à petite échelle, n’importe lequel de ces protocole sera adéquat, mais pour les professeurs qui sont intéressés à mener à bonne fin des projets d’envergure couvrant plusieurs années, il est recommandé d’entrer en contact avec des représentants locaux du gouvernement, des universités ou avec des groupes dédiés à l’environnement pour obtenir des conseils sur la sélection du protocole relié à leur région. L’utilisation de protocoles standards pour recueillir et rapporter des données est l’une des plus grandes préoccupations dans ces projets de surveillance où les données sont partagées avec d’autres. La majorité des agences gouvernementales ont un protocole de surveillance biologique des lichens et plusieurs de ces protocoles sont disponibles sur Internet (même si souvent ils n’ont pas un langage ou un format qui sont facilement compréhensibles, spécialement par les étudiants). Il vaut mieux que les professeurs entrent en contact avec des organisations d’éducation environnementale de leurs régions ou avec des groupes dédiés à la surveillance et avec des organisations qui ont développé des protocoles de surveillance scientifique prêts à être utilisés par des étudiants (voir la note ci-jointe). Ils ont été écrits généralement dans un langage plus compréhensible et conçus spécifiquement pour être utilisés dans des projets de surveillance par des étudiants. Au Canada, il y a des groupes communautaires de surveillance, des agences gouvernementales et des institutions d’éducation post-secondaire qui travaillent actuellement à former des associations pour tester un protocole semblable à celui utilisé en Europe. Ceci permettra aux étudiants de comparer leurs données avec celles des étudiants d’autres écoles canadiennes.

Le Dr. Irwin Brodo, auteur de “Lichens of North America”, introduisant ses étudiants à son thème favori.

Sélection du site

Plusieurs écoles ont des sites adéquats pour mener à bonne fin la surveillance, tels que des parcs, cours d’école et cimetières qui se situent suffisamment proches pour être atteints en marchant. Presque tous les sites qui ont des arbres seront suffisamment adéquats pour réussir une inspection simple de lichens. Si on vise à trouver la réponse à une question scientifique spécifique sur une source de pollution ou si on planifie de collaborer avec les résultats d’une base de données déjà existante, il serait recommandable d’avoir plusieurs sites de surveillance. Tous les sites doivent être relativement uniformes, car la croissance des lichens est affectée par des facteurs comme le type et la densité des arbres, les conditions du sol et les principales caractéristiques de la région. Il est aussi recommandé de demander aux étudiants de se documenter très bien sur chaque site, incluant l’élaboration de cartes et, si possible, de photographies.

Matériel et ressources

L’équipement nécessaire pour la surveillance des lichens n’est pas dispendieux et peut être obtenu facilement. Comme on recommande que les étudiants travaillent en groupes, on a besoin d’une seule pièce d’équipement par groupe. Cet équipement doit inclure:

• Loupe ou lentille, préférablement de 8-20x
• Guide ou clé d’identification des lichens
• Règle et ruban métrique long
• Compas
• Feuilles de calcul pour écrire l’information
• Journal de bord et crayon

C’est tout. Bien sûr, on peut allonger cette liste de matériel si on bénéficie de ressources illimitées ou si on désire modifier le projet de surveillance. Certains protocoles demandent de définir la région d’échantillons sur la surface des arbres en utilisant de la craie ou un quadrillage suspendu de cinq carrés de10 cm par 10 cm, alignés verticalement (les étudiants eux-mêmes peuvent fabriquer ces “échelles” en utilisant du papier, du fil ou un cintre pour les vêtements ou des chaînes pour les interrupteurs électriques). Un couteau et quelques bouteilles de verre peuvent être utilisés pour recueillir des spécimens à étudier plus à fond au retour dans la salle de classe. On peut utiliser de l’équipement de GPS pour localiser les sites de spécimens. Finalement, le plus utile pour l’étude, c’est le matériel de surveillance de la qualité de l’air qui peut être utilisé conjointement avec l’inspection de lichens pour comparer les données générées.

Divers matériaux scolaires et matériaux d’investigation de terrain peuvent améliorer le degré d’apprentissage des étudiants. Avoir en disponibilité des diagrammes d’identification des espèces, des feuilles pour recueillir les données et les détails sur la méthodologie de surveillance assurent que les données recueillies par le groupe d’étudiants sont correctes, précises et utiles en comparaison avec celles obtenues par les programmes de surveillance académiques ou gouvernementaux. De même, on peut utiliser des manuels d’enseignement spécialisés pour planifier des leçons, mener à bien des activités reliées avec le programme d’études, obtenir des informations antérieures et générer des idées pour des projets pour améliorer l’environnement local4.

Pour assurer la qualité des données recueillies, ce serait une bonne idée que l’instructeur poursuive l’entraînement à l’identification des lichens. Plusieurs groupes communautaires offrent des ateliers d’entraînement pour les professeurs, qui incluent des sessions dans la salle de classe et sur le terrain et des ressources variées comme des manuels pour les instructeurs. Comme alternative, quelques agences gouvernementales et organisations communautaires offrent l’aide d’étudiants post gradués bénévoles, qui peuvent gérer l’équipe d’étudiants d’école préparatoire ou d’éducation secondaire, aussi bien à l’intérieur de la salle de classe que sur le terrain. Ce modèle de jeunes mentors de jeunes inspire et motive les jeunes à considérer la possibilité de poursuivre des carrières ou des tâches scientifiques et les attire comme bénévoles dans des expériences de travail pendant qu’ils poursuivent leurs études5.

Exemple de protocole de projet

Ce qui suit est une suggestion de protocole à suivre pour le projet de bio-surveillance de lichens.

1. Préparation du projet : Les professeurs et individus associés (par exemple groupes de la communauté locale ou naturalistes, institutions académiques ou agences gouvernementales choisissent des sites de surveillance, programment des sessions de travail à l’école et sur le terrain, réunissent les ressources et le matériel nécessaires et planifient l’assistance des bénévoles.

2. Introduction aux lichens : Deux sessions d’environ 75 minutes chacune avec la classe, au cours desquelles les élèves apprennent sur la biologie et l’identification des lichens, ainsi que sur la manière de recueillir des données sur le terrain.

3. Travail sur le terrain : Deux à quatre sessions de deux à trois heures chacune. Une session de terrain typique peut inclure :
a. Préparation du site d’étude. On choisit de cinq à dix arbres de la même espèce. On enregistre les données sur ces arbres (comme l’espèce et la taille) et du site (on esquisse une carte, on note l’emplacement, la date et l’heure, le climat etc.).
b. Identification des lichens. On identifie les lichens présents et on enregistre les données sur une page de données uniformisée. On peut aussi noter l’abondance de chaque espèce, dépendant du protocole.

4. Analyse supervisée des données : Une session d’environ 75 minutes, où les étudiants apprennent à analyser et interpréter les données en utilisant des calculs comme l’indice de pureté atmosphérique6.

5. Développement et mise en œuvre du plan d’action et distribution des résultats à la communauté : Cette partie du projet peut varier, dépendant des intérêts et du temps disponible pour les étudiants et le professeur. (Voir « Entrer en action » plus bas).

Ce protocole fait référence à un projet assez complet. Si on désire seulement introduire les étudiants au thème général des lichens et les exposer à l’environnement, il existe des groupes communautaires qui offrent souvent des sessions d’entraînement pour des classes d’élèves, ainsi que des exercices de préparation et des activités de suivi que les professeurs peuvent incorporer dans leurs classes.

Entrer en action

Une fois que les étudiants ont appris sur les lichens et qu’ils ont recueilli et analysé les données, il est fréquent qu’ils demandent: “Que faisons-nous maintenant avec toutes ces données?” Dans la salle de classe, quelques-unes des activités culminantes possibles sont: la création d’expositions, des actions informatives, des dépliants et des présentations. Si l’analyse des données démontre que la qualité de l’air doit être améliorée, les étudiants peuvent distribuer leurs résultats lors de réunions de la communauté ou préparer une exposition spéciale et la présenter lors des soirées de visite des parents à l’école. Il est possible que les étudiants préfèrent apporter des changements dans leur comportement pour réduire l’impact de leurs actions sur la qualité de l’air local ou qu’ils utilisent leurs données pour sonner l’alarme auprès des gouvernements, pour les exhorter à faire des changements aux politiques concernées ou peut-être vouloir participer à des études de surveillance à plus grande échelle. Ils peuvent inviter le reste de la population scolaire ou des étudiants d’autres écoles à participer à une investigation scientifique originale, à planter des arbres ou à organiser des jours sans automobile.

La surveillance de la qualité de l’air utilisant les lichens est une manière parfaite pour permettre aux étudiants de participer à de la recherche scientifique originale et de mieux se familiariser avec leur voisinage. Les étudiants affronteront aussi des défis et des problèmes similaires à ceux qui se présentent aux scientifiques professionnels quand ils réalisent des études scientifiques : les sources possibles d’erreurs, le fait qu’un seul indicateur ne révèle pas toutes les réponses requises, la possibilité de réaliser des études postérieures, etc. Par-dessus tout, les étudiants sortent de la salle de classe et ont l’opportunité de se familiariser avec les particularités des sciences biologiques : les arbres, la lumière du soleil et l’air. Les théories scientifiques, les concepts abstraits et les vues d’ensemble ont leur place, mais nous ne devons pas oublier que chaque théorie ne fut parfois qu’une simple observation. Chaque forêt est en réalité une collection d’arbres et avant que ces arbres existent, le sol était très probablement couvert de lichens.

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Notes:

1. Pour trouver des exemples de groupes de lichens, voir les guides de terrain d’identification des lichens pour les forêts caduques mixtes et pour les forêts boréales sur la page web de Ecological Monitoring and Assessment Network d’Environnement Canada <www.eman-rese.ca/eman/ecotools/protocols/terrestrial/> (suivre les liens sous la section « Lichen Diversity and Abundance »); et « Indicator Lichen Species and their Characteristics » sur la page web de Citizens’ Environment Watch <www.citizensenvironmentwatch.org/cew/resourceCentre/protocols&manuals.html> (suivre le lien « Guide to Indicator Species » sous la catégorie « Air Quality Monitoring with Epiphytic Lichens »).

2. Irwin M. Brodo, Sylvia Duran Sharnoff et Stephen Sharnoff. Lichens of North America. Yale University Press, 2001.

3. Robert Cameron, écologiste de la division des aires protégées de Nova Scotia Environment and Labour, correspondance personnelle, 17 août 2005.

4. Voir, par exemple, Margaret Peterson, « Lichens as Air Quality Indicators: A beginning lichen identification study » pour des degrés 6-8, Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, 2003, sur Internet 27 septembre 2005 <http://cires.colorado.edu/education/k12/earthworks/teachers/petersonM.html>; et William C. Denison, “A Guide to Air Quality Monitoring with Lichens,” Lichen Technology, Inc, 1973, sur Internet, 27 septembre 2005 <http://ocid.nacse.org./classroom/lichens/denison/>.

5. Par exemple, Citizens’ Environment Watch en Ontario met en relation des bénévoles entraînés (mentors de surveillance) avec des classes d’élèves pour assister les professeurs dans l’implantation de projets de surveillance. CEW offre aussi des programmes pour des jeunes qui ne font pas partie du système scolaire et pour des membres et groupes communautaires. Voir : .

6. Une bonne source pour l’analyse de données sur les lichens : « Epiphytic Lichen Data Analysis », par Citizen’s Environment Watch, 2002. Elle peut être téléchargée comme archive de type pdf à <www.citizensenvironmentwatch.org/cew/resourceCentre/protocols&manuals.html>; cliquer sur « Data Analysis », sous la section « Air Quality Monitoring with Epiphytic Lichens ».

Lectures additionnelles
Brodo, I.M., S. Sharnoff y S. Sharnoff. Lichens of North America. Yale University Press, 2001.

Huckaby, L.S. (Ed.) Lichens as Bioindicators of Air Quality. USDA Forest Service General Technical Report RM-224, Rocky Mountain Forest and Range Experimental Station, 1993.

Manning, W.J. and W.A. Feder. Biomonitoring of Air Pollutants with Plants. London: Applied Science Publishers, 1980.

Nash, T.H. Lichen Biology. UK: Cambridge University Press, 1996.

Nash, T.H. and V. Wirth. “Lichens, Bryophytes and Air Quality.” Bibliotheca Lichenologica, 30. J. Cramer, 1988.

Richardson, D.H.S. Pollution Monitoring with Lichens. Slough, England: Richmond Publishing. 1992.

United States Environmental Protection Agency, Biological Indicators of Watershed Health. Cette œuvre se concentre sur des aquiphères plus que sur des systèmes terrestres, mais fournit une bonne explication de l’usage d’indicateurs biologiques dans la surveillance de la qualité de l’environnement. Disponible sur Internet: <www.epa.gov/bioindicators/>.

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Andrew Kett est coordonnateur de vulgarisation et Sonia Dong coordonnatrice de programmes pour Citizens Environment Watch (CEW) à Toronto, Ontario. CEW entraîne et fournit du matériel à des étudiants et des bénévoles communautaires pour surveiller la qualité de l’air local, en utilisant des lichens et pour surveiller la qualité de l’eau en utilisant des macro-invertébrés benthiques.

Heather Andrachuk est conseillère scientifique de vulgarisation et Brian Craig est conseiller scientifique principal pour le réseau de surveillance écologique et évaluation (EMAN) d’Environnement Canada. EMAN coordonne le développement de protocoles de surveillance et la répartition de données à travers un réseau d’agences gouvernementales, de groupes de citoyens, universités, écoles et autres groupes impliqués dans la surveillance et l’investigation scientifiquement valable d’écosystèmes au Canada.

Traduit par Jocelyne Dickey, biologiste et professeure de biologie et informatique à la retraite, traductrice bénévole depuis 2004, Québec.

Ce qui précède est une traduction de « Learning with Lichens: Using Epiphytic Lichens as Bio-indicators of Air Pollution » qui a été publié en Green Teacher 77, Automne 2005.