Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05)

Évolution et Diversité du Vivant

(101-NYA-05)

Cours 14

Bernadette Féry Automne 2007

Chapitres 53, 54 et 55

Campbell, 3

édition

LES ÉCOSYSTÈMES

Partie 1 :

La structure trophique de l’écosystème (Chapitre 53)

Campbell (3^eéd.) — Figure 54.1 : 1283

1. Structure trophique de l’écosystème

Ensemble des relations

alimentaires qui existent entre les organismes de l’écosystème

Réseau alimentaire m arin

= réseau trophique

= réseau alimentaire

Définition

4 niveaux trophiques, en général, dans un réseau alimentaire

Quatrième niveau trophique

Troisième niveau trophique

Deuxième niveau trophique

Premier niveau trophique

PRODUCTEURS (Plante)

HERBIVORE (Sauterelle)

CARNIVOR E

DE 1 ^ier ORDRE (Souris) CARNIVO RE

DE 2^e ORDRE (Serpent) )

DÉTRIVORES ^Bactéries

Mycètes

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Élémen ts

minéra ux

Producteu rs

Consommate urs

secondaires Consommate urs primaires Consommat eurs

tertiaires

Chaque niveau

trophique représent e un

étage

alimentair e

Parfois, un cinquième niveau

trophique s’ajoute : les consomma teurs

quaternair es

Lombric

Réseau marin de l’Antarctique

1

2 et 3 2

3 3 et 4

4, 5 et 6 3

4, 5 et 6

3 4 et

5

3

4 et 5

4 et 5

3 et 4

Calmar

Zooplanc ton

herbivor e

(copépo de) Euphausiacés

(krill)

Zooplanc ton

carnivor e

Phytoplancton Oiseau Poisson

Léopar d de mer Petits cétac és à dents Humai ns

Cachal ot Cétacé

s à fanons

Phoque s

crabier s

Éléphant de mer

Campbell : 1291 (2^eéd.) — Figure 53.11

Ainsi, sur ce schéma, tous les no 3 (carnivores de 1^ier ordre) se nourrissent de l’étage no 2 (herbivores).

Les éléphants de mer font partie du niveau (4) car ils mangent du poisson de niveau (3) et du niveau (5) car ils mangent des calmars de niveau (4).

Si un organisme se nourrit à plusieurs étages

alimentaires, il fait partie de plusieurs niveaux

trophiques.

Tous les organismes qui obtiennent leur énergie à partir du même étage alimentaire font partie du même niveau

trophique.

Les omnivores (les

mangeurs de viande et de plantes) et les

détrivores (les mangeurs de détritus organiques non représentés ici)

appartiennent à tous les niveaux trophiques car ils se nourrissent de divers étages

alimentaires.

2. Chaîne

alimentaire Un réseau

trophique est en réalité constitué de multiples

chaînes

alimentaires

reliées les unes aux autres de diverses façons.Chaîne

alimentaire

Transfert « en

ligne droite » de la matière et de l’énergie d’un

niveau trophique à l’autre dans le réseau

trophique.

Ensemble des

êtres vivants qui se nourrissent

«directement»

les uns des autres.

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Détrivores

Déchets

organiques : excréments, urines,

cadavres, détritus…

Le lièvre mange le feuillage du sapin

baumier.

Les plantes puisent les éléments minéraux restitués par les

détrivores afin de

mener leur photosynth èse.

Le loup mange le lièvre.

Transformatio n des débris en éléments minéraux

Une chaîne alimentaire de la forêt boréale

3. Les producteurs des chaînes alimentaires

Milieu Source

d’énergie Type de chaîne alimentaire

Producteurs

Terrestr

e Énergie

lumineuse Chaîne

photosynthé tique

Végétaux

Aquatiq

ue Énergie

lumineuse Chaîne

photosynthé tique

Cyanobactéri es, petites algues du plancton, grandes algues, végétaux aquatiques Abyssal Énergie

tirée de l’oxydatio n du H

S (sulfure d’hydrogè ne) et du CH

(méthane )

Chaîne

chimiosynth étique

Bactéries hébergées par les vers tubicoles des cheminées

chaudes et par les

moules des

suintements

froids

Source

Les

végétaux terrestres

Des lentilles d’eau Des laminaires

Les grandes algues

(règne des protistes)

Les

végétaux aquatique s

Des producteurs !

Des producteurs !

Les algues microscopiques du phytoplancton ou plancton

végétal (règne des protistes)

Spirogyre

Chlorella

Volvox Algues

vertes

(3) espèces de Desmidiés

(3) espèces de Diatomés

Algues dorées (90% du

phytoplancton)

Encore des producteurs !

Encore des producteurs !

Bactéries hébergées par les vers

tubicoles et par des moules : au fond

des océans, là où il fait très noir.

Photo

Les cyanobactéries «algues bleu vert»

du plancton végétal (sont minuscules par rapport aux algues vertes du

plancton car ce sont des procaryotes)

Les algues bleues et leurs

toxines

Rivularia

Agmenellum Anabaena

Nostoc

Source

Vers tubicoles Vers tubicoles Moules

Moules

Toujours des producteurs !

Toujours des producteurs !

LES ÉCOSYSTÈMES

Partie 2 :

La circulation de l’énergie dans l’écosystème

(Chapitre 54)

Source

4. Les paramètres du flux d’énergie dans l’écosystème

Le flux d’énergie est le transfert de l'énergie d'un niveau trophique à

l'autre dans l’écosystème.

Le rôle de l'énergie est d’organiser la matière minérale en matière organique en

fournissant l’énergie des liaisons chimiques entre les atomes.

La source d’énergie des écosystèmes

est généralement la lumière solaire.

Sour ce

Glucos e

Une exception

Les écosystèmes marins des grands

fonds sont alimentés par l’énergie tirée

de l’oxydation de certaines

substances minérales

(chimiosynthèse).

L’énergie lumineuse qui

alimente les écosystèmes est le bleu violet et le rouge

(captée par la chlorophylle des chloroplastes). Comme le vert n’est pas capté (donc réfléchi), les végétaux paraissent verts.

Lumière verte Lumières rouge et bleue

400 500 600 700

nm •Spirogyre (une algue

verte) est éclairé par une lumière

décomposée par un prisme.

•La croissance des

bactéries est maximum autour des zones

bleues et rouges.

L’expérience d’Engelman prouve que la

photosynthèse est maximum dans le bleu et le rouge

Campbell (3^e éd.) — Figure 10.7 : 198

Campbell (3^e éd.) — Figure 10.9 : 200

L'énergie circule des producteurs aux détrivores.

Le flux de

l’énergie est

unidirectionnel.

Environ 1 % de l'énergie lumineuse pénètre

dans les

écosystèmes et y

maintient les niveaux trophiques.

Campbell (3^e éd.)

— Figure 54.11 : 1291

10 000 J

1 000 000 J d’énergie

solaire x 1 % =

Environ 10% de l'énergie contenue

dans un niveau trophique s'incorpore à la biomasse (masse biologique des

organismes) du niveau suivant. La différence de 90% est perdue de multiples façons.

Carnivores

secondaires = 10 J Carnivores primaires

= 100 J Herbivore

= 1 000 J

Producteurs = 10 000 J

Énergie solaire = 1 000 000 J

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.11 : 1291

10 000 J x 10 % = 1000 J 1 000 J x 10 % = 100 J

100 J x 10 % =

10 J

Toute l'énergie qui entre dans

l’écosystème finit par se perdre en

chaleur. Cette énergie perdue n’est pas recyclable.

L'énergie perdue est continuellement

renouvelée car le soleil continue d'éclairer la Terre. L’énergie est renouvelable.

CHALEUR PERDUE VERS L’ESPACE

Chaque chaîne alimentaire correspond à un seul circuit au sein du flux énergétique.

La quantité

d’énergie qui entre dans un écosystème détermine le

nombre maximal de niveaux trophiques qu’il contient.

Quand il n'y a plus

assez d'énergie pour maintenir un niveau trophique supérieur, la chaîne

alimentaire s'arrête.

Pour cette raison, il y a rarement plus de 4 niveaux

trophiques.

Source

5. Les causes des pertes d’énergie de l’écosystème

Ce qui est mangé

Seule, une fraction de la proie végétale ou animale est

effectivement

prélevée et dévorée par le niveau

supérieur.

Source Sourc

e

Sourc

e

Ce qui est assimilé

• Seule une partie des aliments ingérés est digérée puis absorbée vers le sang

(assimilée).

• Ce qui n'est pas

digéré sort du tube digestif à l'état de déchets.

Source

Glucos e

L'efficacité relative de la respiration

cellulaire, le

processus qui permet de dégrader nos

aliments et d’en

récupérer l’énergie La respiration

cellulaire ne récupère qu’environ 40% de

l’énergie du glucose.

Les aliments assimilés finissent par se retrouver dans les cellules, sous forme de glucose qui sera dégradé par respiration cellulaire, un processus métabolique. Sa dégradation libère l’énergie

emmagasinée dans les liaisons chimiques ainsi que les atomes constitutifs. Des 100% d’énergie

potentielle contenue dans les liens du glucose, 40% est transféré à de l’ATP et 60% est perdu en chaleur qui contribue à maintenir la température corporelle des organismes.

Explications sur l’efficacité relative de la respiration cellulaire

+ 6O₂ 6 CO₂ + 6 H₂O + Énergie

C C C C

CC H2OH OH OH OH H H H H O

Équation OH

générale de la

respirati on cellulaire

Chaleur

60%

+

36 ATP Adénosin e

triphosph ate

36 ADP + 36 Pi

Adénosine diphosphate

40

•L’ATP est la réserve

%

d’énergie qui

permet la plupart du travail cellulaire.

•Après le travail

cellulaire, l’énergie de l’ATP se dissipe aussi en chaleur.

Démonstration de la perte de 60

% de l’énergie du glucose lors de la respiration cellulaire

1.L'énergie potentielle d'une molécule de glucose est d’environ 2 870 kJ par mole de glucose.

2.La respiration cellulaire produit 36 ATP (eucaryotes) ou 38 ATP (procaryotes) à partir d'une mole de glucose.

3.Dans la cellule, la phosphorylation de l’ADP (en ATP) emprisonne 30,5 kJ/mol.

4.Le rendement de la respiration

cellulaire chez les cellules eucaryotes est de :

[ 36 ATP x 30,5 kJ/mol ] x 100 = ± 40 % 2 870 kJ/ mol

Références : Campbell (3^e éd.) : p.

72 et p. 174

Pas à l’exame n

L’efficacité relative du transfert de

l’énergie de l’ATP (une part de l'énergie de l'ATP n'est pas récupérée lors d'une réaction chimique et se perd en

chaleur)

L’énergie dépensée pour maintenir la vie

Une part de l'énergie des molécules d'ATP maintient le métabolisme basal de l'animal et ses diverses activités (reproduction, recherche de

nourriture, toilettage…).

Campbell (3^e éd.)—

Figure 8.10 : 157

Coccinelles Bonobos Activité de reproduction

Activité de toilettage

Recherche de nourriture

6. L’allocation énergétique de la Terre

(rayonnement solaire) et sa productivité totale

Plus le rayonnement solaire est intense, plus la

photosynthèse est grande et plus l'écosystème dispose

d'énergie. L’intensité du rayonnement solaire dépend de l’angle d’incidence des rayons

lumineux qui frappent le sol.

Grand angle d’incidence de la lumière = peu de lumière et de chaleur au Angle d’incidence de la sol lumière nul ou faible = beaucoup de lumière et de chaleur au sol

Source

Source

L’angle d’incidence de la lumière dépend de la latitude, de la saison et de l’heure de la journée.

La lumière qui parvient au sol sur le coup du midi a un angle d’incidence plus faible. Il fait chaud et

clair. L’inverse est vrai : le matin et le soir, l’angle d’incidence est plus grand. Il fait plus froid et

moins clair. Lorsque le soleil est bas sur l'horizon, sa lumière doit traverser davantage de couches atmosphériques et une part plus grande de son énergie sera absorbée ou reflétée avant

d'atteindre le sol. Ceci contribue au fait qu’il y a moins d’énergie lumineuse et de chaleur qui

parvient au sol.

Les tropiques reçoivent plus de lumière et de chaleur car les

rayons lumineux arrivent

perpendiculairement au sol (les rayons sont concentrés). À

l'inverse, plus on s'approche des pôles, plus l'angle d'incidence est grand et moins les écosystèmes disposent d'énergie.

Angle nul Angle élevé

Angle élevé

L’angle d’incidence augmente le matin et le soir

Campbell (3^e éd.) — Figure 50.10 : 1182

L’angle d’incidence augmente aux hautes latitudes

Malgré tout, 1% de lumière visible captée annuellement par les

chloroplastes se fait convertir en

énergie chimique pour un total de 170 milliards de tonnes de matière

organique.

La productivité totale de la terre est de 170 milliards de tonnes de

matière organique par année

• Chaque jour la Terre reçoit environ 10

joules / jour (1J = 0,239 cal) via les rayons lumineux.

• La plus grande part de ces rayons lumineux est absorbée ou réfléchie par l'atmosphère.

• Parmi les rayons qui parviennent

aux chloroplastes, seuls les rouges

et les bleus sont absorbés .

7. La productivité primaire concerne les producteurs

La productivité primaire brute (PPB) est la production des premières molécules organiques par les producteurs.

• Résultat de la photosynthèse.

• Issu du 1% d’énergie lumineuse assimilé par les chloroplastes.

Membranes contenant de la

chlorophylle, la molécule qui capte l’énergie lumineuse

Chloroplaste d’une cellule végétale

• Accumulation de biomasse par les producteurs.

• Photosynthèse (PPB) moins les

pertes en énergie par respiration cellulaire (R) .

• 50% à 90% de la PPB.

• 170 milliards de tonnes de matière organique /an.

Chloroplaste

PERTE

D’ÉNERGIE

La productivité primaire nette (PPN) est la croissance végétale annuelle ;

exprimée en quantité d'énergie (J/ m

/ an) ou de matière (g de masse sèche/

m

/ an).

• PPN = ajout de nouvelle biomasse chaque année.

• Biomasse mesurable =

accumulation de la productivité

primaire nette au fil des ans. PPN BIOMASSE Forê

t Faible

productivité car elle consomme une grande

portion des

produits de sa photosynthèse (par respiration).

Grande biomasse végétale

accumulée dans ses grands arbres formés de

substances

difficiles à digérer.

Prair

ie Grande

productivité car ses petites

plantes respirent de façon

modérée.

Faible biomasse végétale car les petites plantes annuelles sont rapidement

dévorées par les herbivores.

Ne pas confondre productivité primaire

nette et biomasse mesurable !

La productivité primaire dépend, de façon générale, de la qualité des

facteurs abiotiques.

L’eau et la

température influencent fortement la productivité primaire des écosystèmes terrestres

Dans les écosystèmes aquatiques l’eau,

abondante, et la température, peu variable, ont peu d’influence sur la

productivité primaire.

En revanche dans les

écosystèmes terrestres la rareté de l’eau et les températures extrêmes ont une grande

influence sur la

productivité primaire.

Photo © Jean-Jacques Cordier (Galerie photo l'Internaute)

Désert de Gobi

(entre la Chine et la Mongolie)

En hiver le

mercure peut

atteindre les - 50

°C alors qu'en été, la température

grimpe jusqu'à 40

°C.

Océan Lac

Campbell (3^e éd.) — Figure 50.16 : 1187

La lumière

influence fortement la productivité

primaire des écosystèmes aquatiques

Dans les écosystèmes terrestres la lumière, abondante, a une

influence plus restreinte sur la

productivité primaire.

En revanche dans les écosystèmes

aquatiques l’absence de lumière dans les zones profondes

bloque la

photosynthèse et la productivité primaire est limitée à la zone éclairée ou

euphotique.

Nutriments limitants. Nutriments dont les producteurs ont besoin mais souvent

présents en faible quantité.

Les nutriments limitants — N— Fe — P — influencent fortement la productivité

primaire des écosystèmes terrestres et aquatiques

Tant dans les écosystèmes terrestres

qu’aquatiques, les nutriments limitants restreignent la productivité primaire.

Les écosystèmes aquatiques ont peu de nutriments parce que :

1. la décomposition (qui restitue les minéraux à

l’écosystème) se fait au fond des plans d’eau

alors que la photosynthèse se fait en surface

2. les zones aquatiques éloignées des littoraux

reçoivent peu de poussières riches en fer et

autres nutriments apportées par les vents

venant des terres.

Des expériences d’enrichissement en

nutriments ont confirmé que l’azote (N) limite la croissance du phytoplancton au large des côtes

Phytoplancton (en millions

d’organismes / ml Phosphor

e

inorgani que (en

µ g/ L) Great South ^Moriches Bay

Bay Shinnec

ock Bay

2 4 5 11 30 15 19 21

L’analyse des échantillons

d’eau prélevés

sur la côte révèle que l’abondance des algues

correspond à l’abondance du phosphore.

Situation initiale.

Des fermes d’élevage de

canards polluent les eaux côtières de

Long Island (dans l’état de New York) par des composés phosphatés et

azotés. Ces fermes sont concentrées près de Moriches Bay.

2

4 5

11 30

15 19

21

Moriches Bay

Océan Atlantique

Great South Bay

Shinnecock Bay

Les numéros indiquent les endroits où des échantillons d’eaux sont prélevés.

Long Island

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.6 : 1288

Expérience.

cultures de l’algue verte Nannochloris atomus dans de l’eau provenant des sites de collectes de Long Island. Ils ont ajouté dans ces cultures : du

phosphore, de l’ammonium ou rien du tout (groupes témoin).

Groupes témoins (aucune addition)

Addition de phosphate PO₄³⁺

Addition d’ammonium NH₄⁺

L’addition de phosphore n’a pas eu d’effet sur la croissance des algues mais celle d’une source d’azote a causé une

explosion des

populations d’algues en culture.

Numéros des sites de collecte

On en déduit que la concentration d’azote est faible dans la baie parce que le

phytoplancton utilise cet azote sitôt qu’il est disponible car ils en

ont un grand besoin.

C’est donc un

nutriment qui limite la croissance lorsqu’il

devient «manquant».

Densité initiale

des algues

Des expériences d’enrichissement en nutriments ont confirmé que le fer (Fe)

limite la croissance des Cyanobactéries en haute mer

Expérience

Des chercheurs ont répandu dans la

mer des Sargasses, sur 72 km², des

faibles

concentrations de nutriments puis ils ont mesuré la

variation de la densité des

Cyanobactéries pendant une

période de sept jours. Ce sont les enrichissements en fer qui ont

provoqué la

prolifération des Cyanobactéries.

Campbell (3^e éd.) — Tableau 54.1 : 1289

Remontée d'eau

Les zones océaniques qui ont des courants

ascendants (upwelling) — remontée d’eaux profondes riches en nutriments vers la surface — sont d’une productivité

exceptionnelle.

+ C + N + C + N + P + P

+ C + + C + N N

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.7 : 1289

Eutrophisation

expérimentale d'un lac (En Alberta)

Des expériences d’enrichissement en

nutriments ont confirmé que le phosphore (P) limite la croissance des Cyanobactéries dans les lacs

Expérience

Des chercheurs

(1974) ont isolé les deux bassins d’un lac par une

pellicule de

plastique puis ont ajouté des

nutriments : C et N pour l’un et C, N et P pour l’autre.

Deux mois plus tard, le bassin

enrichi de P était recouvert de

cyanobactéries.

Pellicule plastique Pellicule plastique

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.9 : 1290

Des expériences d’enrichissement en

nutriments ont confirmé que l’azote (N) limite la croissance des plantes dans les marais salants

Expérience

Des chercheurs (été 1980) ont

ajouté, dans divers parcelles

expérimentales

d’un marais salant de la baie

d’Hudson, de

l’azote et, ou, du phosphore.

Comme la

productivité a

augmenté dans les parcelles enrichies avec, au moins, de l’azote, c’est

l’azote qui est le nutriment limitant.

Biomasse aérienne vivante en g de masse sèche par m²

Juin Juillet Août

30 0 25 0 20 0 15 0 10 0 50 0

N +

P N

P

Témo in

Influence

des saisons sur la

productivit é primaire des

écosystème s

BELLE SAISON

Facteurs abiotiques favorables = grande productivité primaire SAISON «DIFFICILE » Facteurs abiotiques défavorables =

productivité primaire faible voire nulle

En pays nordique la productivité primaire est plus grande au printemps et en été

Source Source

En pays chaud la productivité primaire est plus grande en saison des pluies

Dans les plaines du Serengeti

Source

Source Sour

ce

Productivité de quelques écosystèmes à l’échelle planétaire

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.4 : 1286

OCÉANS

Grande surface x Très faible productivité = Très grande

contribution à la

productivité totale de la Terre

MARAIS ET MARÉCAGE

Très petite surface x Très grande

productivité = Très petite contribution à la productivité totale de la Terre

% de la surface planétair e

Productiv ité primaire nette

moyenne (g/m²/an)

% de la productiv ité primaire nette

planétair

Milieux marins e

Milieux marins

Milieux terrestres Milieux terrestres Milieux dulcicoles Milieux dulcicoles

FORÊT TROPICALE HUMIDE

65% 125 24,4%

3,3% 2 200 22%

0,4% 2

000 2,3%

8. La productivité secondaire concerne les consommateurs

La productivité secondaire nette (PSN) est la croissance animale annuelle.

•

Accumulation de biomasse par les consommateurs

•

Correspond à la croissance et à la reproduction

•

Alimentation - pertes en énergie

(mangé, assimilé, efficacité de la

respiration cellulaire …)

Le rendement énergétique à l’échelle du consommateur (rendement de

consommation) est la fraction de

l’énergie assimilée par un organisme et mise en réserve dans sa biomasse.

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.10 : 1291

Perte d’énerg ie par fèces, urine et mue

Perte d’énerg ie par respirat ion cellulair e

Croissance . Nouvelle biomasse de la

chenille

200 J

100 J 67 J

33 J

100 J

Assimilat ion

Rendement de

consommation de la chenille

Productivité

secondaire nette Énergie assimilée 33J = 0,33

= 33%

100 J

Grands mammifères RC de 3,1 % en

moyenne

Les carnivores ont un meilleur

rendement que les herbivores car la viande est plus

facile à digérer que l’herbe.

Oiseaux

RC de 1,3 % en moyenne Dépensent beaucoup

d’énergie pour voler.

Insectivores

RC de 0,9 % en moyenne

Contrôlent mal leur T^o et doivent manger

beaucoup.

Groupe des endothermes

Dépensent de l’énergie pour maintenir leur température interne.

Le rendement de

consommation des groupes

d’organismes varie beaucoup !

Groupe des ecthothermes

Ne dépensent pas d’énergie pour maintenir leur température interne.

Invertébrés

herbivores « pas des insectes » (ex : une

daphnie)

RC de 21 % en moyenne

Poissons et

insectes sociaux RC de 10 % en moyenne

Invertébrés carnivores

« pas des insectes » (ex : un copépode)

RC de 28 % en moyenne

Invertébrés détrivores

« pas des insectes »

(ex : un lombric) RC de 36 % en moyenne

Invertébrés détrivores « insectes non sociaux »

(ex : une larve de Hanneton, un bousier…)

RC de 47 % en moyenne

Rendement de

consommatio n = RC

Efficacité écologique

= ÉÉ

100 J de = 0,10 = 10%

1 000 J de sauterelles Efficacité écologique du 3^e niveau trophique

Carnivores

secondaires = 10 J Carnivores primaires

= 100 J

Herbivore = 1 000J Producteurs = 10 000J Énergie solaire = 1 000 000 J

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.11 : 1291

1

2 3 4

Le rendement écologique à l’échelle de l’écosystème

(efficacité écologique) est la fraction de l’énergie assimilée par un niveau trophique et mise en réserve dans sa biomasse.

•Rapport entre la productivité nette d'un niveau trophique donné et la productivité nette du

niveau trophique inférieur.

•Correspond à la croissance et à la reproduction de l’ensemble du niveau trophique.

•10 % en moyenne.

• Série de blocs empilés correspondant aux niveaux trophiques

• La taille de chaque bloc est proportionnelle à la productivité du niveau

• Son utilité : visualiser les pertes d'énergie d'un niveau à l'autre

• Types de pyramides écologiques : de masse, d’énergie et de nombre

Une pyramide écologique est un diagramme

qui représente la productivité nette de chaque niveau trophique d'un écosystème.

Carnivores secondaires = 10 J Carnivores primaires

= 100 J

Herbivore = 1 000J Producteurs = 10 000J Énergie solaire = 1 000 000 J

Nombre d’individus

3354 904 708 624 5 842 424

Niveau trophique

Carnivores 1 Herbivores Producteurs Carnivores 2

Masse sèche (g / m2) 1,5

11 37 809

Canal de la Manche Tourbière de la Floride Niveau trophique

Tertiaires Secondaires Primaires Producteurs (phytoplancton) Consommateurs

primaires (zooplancton) Producteurs

21 4

Observez. La biomasse des producteurs est plus faible que celle des consommateurs mais elle se renouvelle si

rapidement qu’elle répond aux besoins de ceux-ci.

Une application de la notion de productivité.

D’après ces schémas, quel type

d’alimentation permet de nourrir le plus d’humains sur la terre ?

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.14 : 1293

LES ÉCOSYSTÈMES

Partie 3 :

La circulation de la matière dans l’écosystème

(Chapitre 54)

Source

Le flux de matière est le mouvement des éléments au travers des divers organismes et des réservoirs de l’environnement.

Réservo ir

abiotiqu e

Matière minérale

Réservo ir

biotique

(Non-vivant) (Vivant)

Matière organiqu e

9. Les paramètres du flux de la matière

dans l’écosystème

La matière circule alternativement entre les mondes abiotique et biotique d’où

l’expression cycle biogéochimique. Il y a deux types de cycles biogéochimiques :

La matière est le matériau de base avec lequel les formes vivantes et non vivantes se construisent.

La matière est là !

• Cycles mondiaux. Ont une composante

atmosphérique : carbone, azote, oxygène, eau, soufre…

• Cycles locaux. N’ont pas de composante atmosphérique : phosphore, potassium, calcium…

Les éléments chimiques ont été créés au

début des temps et il n'y a plus d'apparition de matière actuellement sur la Terre. La

matière est donc « non renouvelable » contrairement à l'énergie.

La terre contient un stock de matière en quantité «finie».

Les éléments de la matière se combinent sous différents aspects :

Sels cristallisés dans les

sédiments : calcaire CaCO₃, dolomite CaMg(CO₃)₂ …

Molécules gazeuses dans l'atmosphère (N₂, O₂, CO₂, anhydride sulfureux, oxydes d'azote...).

Molécules organiques dans la

biomasse : glucose, protéines, lipides…

Ions solubles dans

l'hydrosphère : nitrites NO₂^-, nitrates NO₃^-, ammonium NH₄⁺,

bicarbonates HCO₃^-, sulfates SO₄^2-,

phosphates PO₄^-

…

• La matière est injectée dans la chaîne alimentaire au niveau des racines des

plantes mais aussi au niveau des feuilles.

• Sous forme de CO₂, d’H₂O, et d’éléments minéraux.

Une quantité considérable de matière minérale pénètre dans les

écosystèmes par le biais des

producteurs qui la transforme en matière organique.

• Les molécules organiques quittent la phase organique sous forme :

d'excréments, d'urine, de détritus

végétaux et animaux et de cadavres.

• Utilisées par les détrivores (bactéries et mycètes), elles sont retransformées en matière minérale (décomposition).

La matière organique circule des producteurs aux détrivores puis retourne dans les réservoirs

abiotiques, sous forme minérale,

grâce aux détrivores.

Qu’arrive-t-il aux déchets non

recyclables ? Déchets

radioactifs

Plastiques non dégradables

Pesticides de longue durée (PCB, DDT…

Dioxines…

L'étape-clé de la circulation de la matière est son recyclage après son passage dans la phase organique.

Recyclage

Décomposition des molécules organiques en molécules minérales.

PRODUCTEURS (Les algues, les plantes, les

cyanobactéries et certaines autres bactéries)CONSOMMATEURS

(Les animaux, les champignons, les protistes à

caractère animal et beaucoup de

bactéries ) DÉTRIVORES

(Les bactéries et les mycètes) Matière organique

Réservoir s

abiotique Terres

Air

Eau Éléme nts minér aux

Réservoir biotique

• Si nos yeux pouvaient voir les atomes des organismes, on aurait l'impression de voir leurs organes « scintiller » à cause du

renouvellement ininterrompu de la matière qui les constitue.

• Les structures des organismes se conservent pendant leur vie, mais leurs éléments de

construction sont sans cesse renouvelés (enlevés et remplacés).

Ainsi, la muqueuse du tube digestif se renouvelle à tous les sept jours et l'être humain, à tous les sept ans.

• Ce renouvellement dynamique se fait

également dans les réservoirs abiotiques.

Le renouvellement dynamique de la matière au travers du réservoir biotique et des

réservoirs abiotiques de l'écosystème constitue son « turnover ».

Grâce à la respiration cellulaire Décompose complètement les molécules en leurs éléments minéraux.

+ 6O

6 CO

+ 6 H

O +

36 ATP

C C C C

CC H2OH OH

OH OH H H H H O OH

Dioxyde de

carbone Glucose Eau

Dioxygè ne

gazeux

La décomposition est complète dans

les sols bien aérés.

•Les résidus incomplètement brûlés

s'accumulent dans le milieu en lui conférant une odeur particulière comme au voisinage des

marécages.

•La matière organique de ces sols très riches est peu à peu incorporée aux sédiments ; c'est

l'origine de l'humus, de la tourbe, du charbon, du gaz naturel et du pétrole.

C C C C

CC H2OH OH

OH OH H H H H O OH

Glucose

2 ATP 2 Lactate ou

2 Éthanol

+

Fermentatio

n lactique Fermentation alcoolique

Grâce à la fermentation

Décompose les molécules organiques en molécules organiques encore relativement complexes (décomposition partielle).

La décomposition est incomplète

dans les milieux peu ou non oxygénés

comme les boues et l’eau stagnante.

C'est pourquoi le sol des forêts

tropicales contient peu d'humus car la matière organique y est

rapidement dégradée et réinjectée dans la chaîne alimentaire.

Plus les conditions abiotiques sont

favorables plus la décomposition est

rapide.

Les éléments minéraux qui quittent la phase organique peuvent être directement

réinjectés dans la chaîne alimentaire ou s'incorporer aux sédiments.

Les éléments minéraux réinjectés dans la

chaîne alimentaire au niveau des racines et des feuilles la

requitteront à nouveau dans l'urine (azote), les excréments (soufre et phosphore),

l’expiration, les cadavres…

Les minéraux incorporés aux sédiments ne sont pas disponibles aux

producteurs mais peuvent le devenir

lorsqu'ils sont libérés par l'érosion des roches puis solubilisés dans l'eau de ruissellement.

Campbell (3^e éd.) — Figure 54.18 : 1298

Consommateurs

Producteurs

Décomposeurs

Nutrime nts

disponibl es pour les

producte

urs Réserv oir abiotiq Processue us

géologiq ues

Le cycle biogéochimique du carbone. Les atomes de carbone sont nécessaires à

l'élaboration des chaînes carbonées qui structurent le vivant.

10. Les cycles biogéochimiques

1. Les roches calcaires et les combustibles fossiles sont le principal réservoir de

carbone.

2. Les producteurs terrestres absorbent le

carbone sous forme de CO₂ atmosphérique et les producteurs aquatiques l'absorbent sous forme d'ions bicarbonates HCO₃^- (mais aussi un peu de CO₂ dissous et d’ions carbonates CO₃^2-).

3. L'océan exerce un effet tampon sur le CO₂ atmosphérique via la précipitation du

calcaire et la formation des coquilles des organismes.

4. La combustion des combustibles fossiles libère du carbone, dans l'atmosphère, plus rapidement que la capacité de l'océan à le piéger.

5. La concentration de CO₂ atmosphérique qui s'élève augmente l'effet de serre et

contribue au réchauffement de la planète.

La photosynthèse et la respiration assurent la

circulation du carbone entre le réservoir biotique et l’atmosphère.

CO2 + H20 H2CO3 + CaCO3 Ca2+ + 2HCO3- 2H+ + 2CO32-

CO2

Carbonates ou Trioxocarbonates Remontée

des roches par les mouvements tectoniques . Décomposition totale

Producteurs Consommateurs Détrivores Respiration Photosynthèse Photosynthèse Ions

calcium

Le réservoir aquatique du carbone contient 50 fois plus de carbone que l’atmosphère.

1.L’eau de pluie réagit avec le CO2 de l’atmosphère ce qui forme les pluies acides (H2CO3).

2.Les pluies acides dissolvent les roches calcaires (CaCO3) du continent en formant des ions

calcium et bicarbonates transportés vers le compartiment aquatique par l’eau de ruissellement.

Ions

bicarbonates Calcaire

(Carbonate de calcium) 84 %

10%

Ruissellement 1%

Acide carbonique (acide faible) Décomposition partielle

Pétrole

Le principal réservoir de carbone est le CO2 de la lithosphère (roches calcaires et combustibles fossiles).

Roches calcaires

Roches calcaires en surface.

Dioxyde de carbone dissous

(Réservoir mineur de carbone) Combustion

: pétrole /forêts et volcanisme.

Respiration (Des végétaux, des animaux et dans le sol.)

Ca2+ + 2HCO3- CaCO3 + H2CO3

CaCO3 CaCO3 CaCO3

4.Une autre part d’ions calcium et bicarbonates, plus petite, vient former abiotiquement du CaCO3 qui précipite en roche calcaire au fond de l’océan. (Le calcaire est

insoluble.)

3.La plus grande part des ions calcium et

bicarbonates est utilisée par les organismes marins pour sécréter leur squelette et ou leur coquille. À leur mort, ils sédimentent en roches calcaires.

CaCO3

Le cycle biogéochimique de l’azote. Les atomes d'azote sont nécessaires à

l'élaboration des protéines et des acides nucléiques.

1. L’atmosphère est le principal réservoir de l’azote.

2. Les producteurs absorbent l'azote sous forme d'ions ammonium NH₄⁺ (en pH plus

acide) et sous forme de nitrates NO₃^- (en pH plus basique).

3. La majeure partie de l’azote de l’écosystème provient de la circulation locale

(décomposition des déchets organiques puis réintroduction au niveau des racines des

producteurs).

4. L'azote, un élément nutritif limité dans les sols et les lacs, fait partie des engrais.

5. Une partie de l'azote des écosystèmes

terrestres est perdue par lessivage des sols vers les cours d’eau et contribue à leur

eutrophisation (leur enrichissement en éléments minéraux).