Exercices: Le flux d'énergie

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 $10\ \%$.

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.

Observer la pyramide d'énergie du schéma :

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.