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Écologie et durabilité · La dynamique des écosystèmes

Le flux d'énergie

Au bord d'un champ de tournesols, un faucon crécerelle guette les criquets et les petits oiseaux. Si on pouvait mesurer l'énergie que les tournesols captent pendant l'été, on verrait que, sur 1 000 unités d'énergie fixées par les plantes, une seule finit dans un faucon qui mange des passereaux, eux-mêmes mangeurs de criquets. Pourquoi une telle perte, et que dit-elle de la façon dont fonctionne un écosystème ? C'est ce que nous allons comprendre.

Écosystème, interactions et réseaux

Un écosystème est formé de deux parties qui interagissent. Le biotope est le milieu physique et chimique (sol, eau, lumière, température). La biocénose est l'ensemble des êtres vivants qui occupent ce biotope (plantes, animaux, champignons, micro-organismes).

Les êtres vivants d'une biocénose sont en relation les uns avec les autres. Ces interactions biotiques se classent en trois grands types :

Type Interaction Exemple
Compétition Deux espèces utilisent la même ressource limitée : les deux sont désavantagées. Deux espèces de rapaces qui chassent les mêmes campagnols.
Exploitation Une espèce profite aux dépens d'une autre : prédation, parasitisme. Le renard et le lapin ; la tique et le chevreuil.
Coopération Les deux espèces y gagnent : mutualisme, symbiose. Les mycorhizes : champignon et hêtre en forêt de Fontainebleau.

On juge l'effet d'une interaction sur la valeur sélective : le nombre moyen de descendants fertiles qu'un individu laisse à la génération suivante. En général, un prédateur augmente sa valeur sélective et sa proie voit la sienne diminuer. Dans une symbiose, les deux partenaires la voient augmenter.

Parmi ces interactions, la plus importante pour l'énergie est le « qui mange qui ». Une chaîne alimentaire est une suite linéaire d'organismes où chacun mange le précédent. Dans la réalité, la plupart des espèces mangent plusieurs aliments et sont mangées par plusieurs prédateurs. Les chaînes s'entrecroisent alors en un réseau trophique (ou réseau alimentaire).

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Différencier une chaîne alimentaire d'un réseau alimentaire, et expliquer pourquoi les écosystèmes dotés de réseaux très imbriqués résistent mieux à la disparition d'une…

Différencier une chaîne alimentaire d'un réseau alimentaire, et expliquer pourquoi les écosystèmes dotés de réseaux très imbriqués résistent mieux à la disparition d'une espèce que ceux qui ont des chaînes simples et linéaires.

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Producteurs, consommateurs, décomposeurs et biomasse

Chaque organisme occupe un niveau trophique, selon sa place dans la chaîne alimentaire.

  • Les producteurs (plantes, algues, certaines bactéries) fabriquent leur matière organique par photosynthèse à partir de la lumière.

  • Les consommateurs mangent d'autres êtres vivants : primaires (herbivores), secondaires (carnivores qui mangent des herbivores), tertiaires (carnivores qui mangent des carnivores).

  • Les décomposeurs (champignons, bactéries) dégradent la matière organique morte et libèrent des sels minéraux utilisables par les producteurs.

Chaîne alimentaire d'une chênaie : chêne vert, chenille, mésange, épervier, avec leur niveau trophique ; les décomposeurs agissent à tous les niveaux. chêne vert chenille mésange épervier producteur primaire secondaire tertiaire décomposeurs : champignons, bactéries du sol

La biomasse d'un niveau trophique est la masse de matière vivante (souvent en matière sèche) qu'il contient, par unité de surface : on l'exprime en $\text{g}\cdot\text{m}^{-2}$. À chaque transfert, une grande partie de la matière est perdue (respiration, déchets non digérés). Il en reste donc moins pour le niveau suivant : dans la plupart des écosystèmes terrestres, la biomasse diminue quand on monte dans la chaîne.

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Définir le niveau trophique et construire une chaîne alimentaire de quatre maillons propre à une chênaie méditerranéenne, en indiquant à quel niveau appartient chaque…

Définir le niveau trophique et construire une chaîne alimentaire de quatre maillons propre à une chênaie méditerranéenne, en indiquant à quel niveau appartient chaque maillon et le régime alimentaire de chaque organisme.

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Classer ces organismes d'une dehesa en producteurs, consommateurs (en indiquant leur niveau trophique) et décomposeurs : chêne vert, lapin, renard, vautour, ver de terre…

Classer ces organismes d'une dehesa en producteurs, consommateurs (en indiquant leur niveau trophique) et décomposeurs : chêne vert, lapin, renard, vautour, ver de terre et champignon. Justifier chaque classement.

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Expliquer ce qu'est la biomasse d'un niveau trophique et pourquoi, dans la plupart des écosystèmes terrestres, la biomasse totale diminue quand on monte dans les niveaux…

Expliquer ce qu'est la biomasse d'un niveau trophique et pourquoi, dans la plupart des écosystèmes terrestres, la biomasse totale diminue quand on monte dans les niveaux de la chaîne alimentaire.

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Production primaire brute et nette

Deux parcelles de maïs identiques reçoivent la même lumière. Si l'une subit des nuits plus chaudes, elle accumule moins de masse en fin d'été, car ses cellules respirent plus vite. Comment mesurer la différence entre toute la matière que la plante fabrique et celle qui reste réellement disponible ?

Bilan : la production primaire brute des producteurs se partage entre leur respiration et la production primaire nette, disponible pour les consommateurs. PPB : énergie fixée au total R PPB − R respiration PPN disponible

En pratique, on mesure la production par niveau trophique en $\text{g}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{an}^{-1}$ de matière sèche : par exemple $800\ \text{g}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{an}^{-1}$ pour les producteurs d'une prairie, $80$ pour les herbivores (production secondaire) et $8$ pour les carnivores. Dans un réseau trophique, chaque flèche représente un flux de ce type.

La production primaire nette dépend des facteurs abiotiques du milieu : lumière, eau, température, sels minéraux. Un écosystème où l'un de ces facteurs manque a une PPN faible. Dans une chênaie méditerranéenne, c'est souvent l'eau en été. En haute mer, loin des côtes, la lumière est abondante en surface, mais les sels minéraux (azote, phosphore) sont rares : le phytoplancton manque de nutriments.

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Définir la production primaire brute et la production primaire nette, et expliquer quelle part de l'énergie fixée par les producteurs reste réellement disponible pour…

Définir la production primaire brute et la production primaire nette, et expliquer quelle part de l'énergie fixée par les producteurs reste réellement disponible pour les herbivores et quelle part est consommée par les plantes elles-mêmes.

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Des prairies fixent $12\,000\ \text{kJ/m}^2$ par an de production primaire brute, mais les plantes en consomment $60\ \%$ pour leur propre respiration. Calculer la…

Des prairies fixent $12\,000\ \text{kJ/m}^2$ par an de production primaire brute, mais les plantes en consomment $60\ \%$ pour leur propre respiration. Calculer la production primaire nette disponible pour le reste de l'écosystème et expliquer à quoi sert la fraction respirée.

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Une chênaie et une zone de haute mer éloignée de la côte ont des productivités primaires nettes très différentes. Expliquer ce qu'est la productivité primaire nette et…

Une chênaie et une zone de haute mer éloignée de la côte ont des productivités primaires nettes très différentes. Expliquer ce qu'est la productivité primaire nette et justifier quels facteurs abiotiques la limitent dans chacun de ces deux écosystèmes.

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Le rendement écologique

À chaque passage d'un niveau trophique au suivant, seule une fraction de l'énergie est transférée. Le rendement écologique est le pourcentage de l'énergie d'un niveau qui passe réellement au niveau suivant :

$$R\ (\%) = \dfrac{\text{énergie du niveau } n+1}{\text{énergie du niveau } n} \times 100$$ Règle des 10 % : environ 10 % de l'énergie passe des producteurs aux herbivores, puis des herbivores aux carnivores. producteur 10 % herbivore 10 % carnivore

Pourquoi si peu ? Une grande partie de ce qui est mangé n'est pas assimilé (rejeté dans les excréments). Une autre partie est oxydée par la respiration cellulaire, qui fournit l'énergie du mouvement, du maintien de la température du corps, etc., et dégage de la chaleur.

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Expliquer, à l'aide de la notion de rendement écologique, pourquoi les chaînes alimentaires des écosystèmes comptent rarement plus de quatre ou cinq niveaux.

Expliquer, à l'aide de la notion de rendement écologique, pourquoi les chaînes alimentaires des écosystèmes comptent rarement plus de quatre ou cinq niveaux.

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Dans une prairie, les producteurs fixent $20\,000\ \text{kcal/m}^2$ par an et les herbivores assimilent $2\,000\ \text{kcal/m}^2$ pendant la même période. Calculer le…

Dans une prairie, les producteurs fixent $20\,000\ \text{kcal/m}^2$ par an et les herbivores assimilent $2\,000\ \text{kcal/m}^2$ pendant la même période. Calculer le rendement écologique de ce transfert, exprimé en pourcentage.

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Dans un écosystème, les producteurs fixent $15\,000\ \text{kJ/m}^2$ par an, les herbivores assimilent $1\,500\ \text{kJ/m}^2$ et les carnivores $120\ \text{kJ/m}^2$…

Dans un écosystème, les producteurs fixent $15\,000\ \text{kJ/m}^2$ par an, les herbivores assimilent $1\,500\ \text{kJ/m}^2$ et les carnivores $120\ \text{kJ/m}^2$ pendant la même période. Calculer le rendement écologique de chaque transfert et indiquer s'ils respectent la règle générale.

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La pyramide d'énergie

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Un écosystème aquatique présente les énergies annuelles suivantes par niveau : producteurs, $50\,000\ \text{kJ}$ ; herbivores, $4\,800\ \text{kJ}$ ; carnivores,…

Un écosystème aquatique présente les énergies annuelles suivantes par niveau : producteurs, $50\,000\ \text{kJ}$ ; herbivores, $4\,800\ \text{kJ}$ ; carnivores, $450\ \text{kJ}$. Calculer le rendement de chaque transfert et indiquer s'ils respectent la règle des $10\ \%$.

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On connaît les données annuelles suivantes d'un écosystème de steppe : producteurs, $10\,000\ \text{kJ/m}^2$ ; herbivores, $1\,200\ \text{kJ/m}^2$ ; carnivores,…

On connaît les données annuelles suivantes d'un écosystème de steppe : producteurs, $10\,000\ \text{kJ/m}^2$ ; herbivores, $1\,200\ \text{kJ/m}^2$ ; carnivores, $60\ \text{kJ/m}^2$. Calculer le rendement de chaque transfert et expliquer pourquoi le second est beaucoup plus faible, en considérant la digestibilité du régime alimentaire et la dépense énergétique liée à l'activité des carnivores.

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Observer la pyramide d'énergie du schéma : a) Identifier le niveau trophique occupé par chaque étage (A, B, C et D). b) Calculer la valeur manquante au niveau D ($?$) en…

Observer la pyramide d'énergie du schéma :

Pirámide de energía con cuatro niveles tróficos A B C D 20 000 kJ/m²·an 2 000 kJ/m²·an 200 kJ/m²·an ? kJ/m²·an
  1. a) Identifier le niveau trophique occupé par chaque étage (A, B, C et D).
  2. b) Calculer la valeur manquante au niveau D ($?$) en supposant que tous les transferts ont le même rendement que le premier.
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Pyramides de biomasse et de nombres

En haute mer, on mesure $4\ \text{g}\cdot\text{m}^{-3}$ de phytoplancton et $12\ \text{g}\cdot\text{m}^{-3}$ de zooplancton qui s'en nourrit. Comment si peu de producteurs peuvent-ils nourrir trois fois plus de consommateurs sans disparaître ?

Deux pyramides de biomasse : en prairie la biomasse diminue vers le haut ; dans l'océan à phytoplancton, les producteurs (4 g/m³) ont moins de biomasse que les consommateurs primaires (12 g/m³) : la pyramide est inversée. prairie : normale 12 g/m³ 4 g/m³ phytoplancton : inversée
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Différencier les pyramides écologiques d'énergie, de biomasse et de nombres. Expliquer dans quelle situation la pyramide de biomasse peut apparaître inversée (donner un…

Différencier les pyramides écologiques d'énergie, de biomasse et de nombres. Expliquer dans quelle situation la pyramide de biomasse peut apparaître inversée (donner un exemple marin) et pourquoi la pyramide d'énergie n'est jamais inversée.

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Dans une chênaie, un seul chêne peut nourrir des milliers de chenilles et celles-ci des dizaines de mésanges. Décrire avec des mots la pyramide de nombres obtenue,…

Dans une chênaie, un seul chêne peut nourrir des milliers de chenilles et celles-ci des dizaines de mésanges. Décrire avec des mots la pyramide de nombres obtenue, expliquer pourquoi elle apparaît « inversée » à sa base et justifier si la pyramide de biomasse de cette même chênaie le serait aussi.

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo de votre réponse.

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Comparer la pyramide de biomasse d'une prairie à celle d'une zone océanique à phytoplancton : a) expliquer pourquoi la pyramide océanique peut être inversée à un instant…

Comparer la pyramide de biomasse d'une prairie à celle d'une zone océanique à phytoplancton : a) expliquer pourquoi la pyramide océanique peut être inversée à un instant donné alors que celle de la prairie ne l'est pas ; b) justifier quelle propriété du phytoplancton (sa très grande vitesse de reproduction) le permet ; c) expliquer pourquoi la pyramide d'énergie de ce même océan, en revanche, est toujours normale.

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Flux d'énergie et cycle de la matière

Un écosystème est un système ouvert : il échange de la matière et de l'énergie avec les autres. L'énergie le traverse dans un seul sens, alors que la matière peut tourner en boucle.

Comparaison : l'énergie va dans un seul sens, de la lumière du soleil à la chaleur dissipée ; la matière suit un cycle fermé qui se répète. énergie : flux à sens unique soleil chaleur matière : cycle

Les décomposeurs ont un rôle clé : ils transforment la matière organique morte (feuilles, cadavres, déjections) en sels minéraux qui retournent aux producteurs. Sans eux, les nutriments resteraient bloqués dans la matière morte et les producteurs s'épuiseraient. En revanche, l'énergie chimique qu'ils tirent de ces débris est elle aussi finalement dissipée en chaleur.

Les écosystèmes ne sont pas isolés. La matière et l'énergie passent de l'un à l'autre : les oiseaux marins se nourrissent en mer et déposent du guano sur les îles, qui fertilise le sol et nourrit les plantes. Les oiseaux jouent ici le rôle de « vecteurs » entre l'écosystème marin et l'écosystème terrestre.

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Expliquer, à l'aide des notions d'énergie utile et de chaleur dissipée, pourquoi l'énergie traverse l'écosystème dans un seul sens (flux ouvert) alors que la matière…

Expliquer, à l'aide des notions d'énergie utile et de chaleur dissipée, pourquoi l'énergie traverse l'écosystème dans un seul sens (flux ouvert) alors que la matière peut circuler indéfiniment (cycle fermé).

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Les colonies d'oiseaux marins accumulent du guano sur les îles où elles se reproduisent. Expliquer quel flux de matière et d'énergie ce guano représente entre…

Les colonies d'oiseaux marins accumulent du guano sur les îles où elles se reproduisent. Expliquer quel flux de matière et d'énergie ce guano représente entre l'écosystème marin et l'écosystème terrestre, et quel rôle jouent les oiseaux comme « vecteurs » reliant ces deux systèmes.

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On mesure dans un lac les flux annuels suivants : producteurs, $8\,000\ \text{kJ/m}^2$ ; herbivores, $900\ \text{kJ/m}^2$ ; carnivores, $110\ \text{kJ/m}^2$ ; en outre,…

On mesure dans un lac les flux annuels suivants : producteurs, $8\,000\ \text{kJ/m}^2$ ; herbivores, $900\ \text{kJ/m}^2$ ; carnivores, $110\ \text{kJ/m}^2$ ; en outre, les décomposeurs reçoivent $3\,000\ \text{kJ/m}^2$ de débris provenant de tous les niveaux. a) Calculer le rendement des deux transferts entre niveaux. b) Expliquer quel rôle jouent les décomposeurs dans le bilan énergétique du lac. c) Prévoir ce qui arriverait au cycle des nutriments et aux niveaux trophiques si les décomposeurs disparaissaient.

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Cascades trophiques et perturbations

Les niveaux trophiques sont reliés : agir sur l'un modifie les autres. Quand on retire un grand prédateur, ses proies deviennent plus nombreuses et mangent davantage leurs propres proies. Ce phénomène s'appelle une cascade trophique.

Par exemple, dans une zone côtière, la surpêche élimine les grands poissons prédateurs. Les petits poissons herbivores, moins mangés, se multiplient, broutent les algues et font reculer les herbiers du fond. Le contrôle exercé « par le haut » (les prédateurs) a disparu.

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La surpêche élimine les grands poissons prédateurs d'une zone côtière. Prévoir ce qui se passera pour les niveaux trophiques immédiatement inférieurs et expliquer…

La surpêche élimine les grands poissons prédateurs d'une zone côtière. Prévoir ce qui se passera pour les niveaux trophiques immédiatement inférieurs et expliquer comment cette « cascade trophique » peut finir par affecter même les algues du fond.

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On introduit des truites dans un lac de haute montagne qui ne comptait aucun poisson et abritait de nombreux amphibiens et de grands crustacés planctoniques. a) Prévoir…

On introduit des truites dans un lac de haute montagne qui ne comptait aucun poisson et abritait de nombreux amphibiens et de grands crustacés planctoniques. a) Prévoir ce qui arrivera aux populations d'amphibiens et de zooplancton. b) Expliquer comment le changement touchant le zooplancton peut se répercuter sur le phytoplancton et sur la clarté de l'eau (cascade trophique). c) Proposer ce qu'il faudrait faire en matière de gestion environnementale et expliquer pourquoi ces introductions à but de pêche de loisir ont été courantes pendant des décennies.

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Manger moins haut dans la chaîne ?

Plus on monte dans la chaîne, plus il faut de producteurs pour produire un peu de biomasse.

De même, avec $10\ \%$ de rendement, pour obtenir $1\ \text{kg}$ de biomasse au niveau $n$, il faut $10$ fois plus au niveau $n-1$, soit $10^{n-1}$ kg de producteurs pour $1\ \text{kg}$ de biomasse au niveau $n$ : de quoi expliquer pourquoi les grands prédateurs sont rares, donc fragiles.

« Manger bas dans la chaîne » est donc un conseil fondé du point de vue de l'énergie. Il faut cependant nuancer : des espèces de niveau bas peuvent être surpêchées, et des élevages sur des terres impropres à la culture valorisent des surfaces inutilisables autrement. Le niveau trophique n'est pas le seul critère : il faut aussi considérer l'eau, le transport, l'usage des sols ou les intrants.

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En supposant un rendement écologique de $10\ \%$ à chaque transfert, calculer combien de kilogrammes de producteurs sont nécessaires pour produire $1\ \text{kg}$ de…

En supposant un rendement écologique de $10\ \%$ à chaque transfert, calculer combien de kilogrammes de producteurs sont nécessaires pour produire $1\ \text{kg}$ de biomasse d'un prédateur situé au quatrième niveau trophique d'une chaîne. Commenter ce que ce résultat implique pour la conservation des grands prédateurs.

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Un champ cultivé fixe $20\,000\ \text{kJ/m}^2$ par an. a) En supposant un rendement de $10\ \%$ par transfert, calculer combien de $\text{kJ}$ restent sous forme de…

Un champ cultivé fixe $20\,000\ \text{kJ/m}^2$ par an. a) En supposant un rendement de $10\ \%$ par transfert, calculer combien de $\text{kJ}$ restent sous forme de viande de poulet après un transfert (de la culture au poulet) et quelle surface est nécessaire pour obtenir $2\,000\ \text{kJ}$ de cette viande. b) Calculer la surface nécessaire pour obtenir ces mêmes $2\,000\ \text{kJ}$ en consommant directement le végétal. c) Commenter ce que cette comparaison implique pour l'alimentation de la population mondiale.

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La phrase « mangez aux niveaux trophiques bas » est utilisée comme conseil écologique. L'analyser scientifiquement : quel fondement a-t-elle du point de vue du flux…

La phrase « mangez aux niveaux trophiques bas » est utilisée comme conseil écologique. L'analyser scientifiquement : quel fondement a-t-elle du point de vue du flux d'énergie, quelles nuances faudrait-il ajouter (pêche d'espèces de niveau bas mais surexploitées, bétail qui pâture sur des pâturages extensifs impropres à la culture, comme les dehesas espagnoles) et quels autres facteurs, en plus du niveau trophique, déterminent l'impact d'un aliment.

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Retour au début : un faucon qui mange des passereaux ne reçoit qu'une unité sur 1 000, car il est au quatrième niveau (tournesol → criquet → passereau → faucon) : avec $10\ \%$ à chaque transfert, $1\,000 \times 0{,}10 \times 0{,}10 \times 0{,}10 = 1$.

L'essentiel

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