Flux de la Matière et de l’énergie dans les Écosystèmes – Cours SVT TCS BIOF

Introduction

I. Les Relations Trophiques

Les relations trophiques désignent l’ensemble des interactions alimentaires entre les êtres vivants d’un écosystème. Ces relations sont variées et jouent un rôle fondamental dans l’équilibre et le fonctionnement des écosystèmes.

1-La prédation

La prédation est une interaction où un organisme (prédateur) capture et tue un autre (proie) pour se nourrir. Cette relation régule les populations dans les écosystèmes.

Caractéristiques principales :

• Le prédateur possède des adaptations pour chasser : taille imposante, griffes, crocs, vitesse et stratégies de chasse
• La proie développe des mécanismes de survie : camouflage, rapidité ou défenses spécifiques
• Cette dynamique maintient l’équilibre écologique en contrôlant naturellement les effectifs des espèces

2- Le parasitisme

Le parasitisme est une interaction où un organisme (parasite) vit aux dépens d’un autre (hôte) en se nourrissant de lui sans le tuer immédiatement. Cette relation régule les populations et influence l’équilibre des écosystèmes.

Caractéristiques principales :

• Le parasite est généralement plus petit que son hôte
• Il affaiblit progressivement l’hôte sans provoquer une mort rapide
• Son cycle de vie dépend étroitement de celui de l’hôte

Types de parasites :

a) Ectoparasites (externes) : fixés sur la surface du corps Exemples : poux, puces, tiques, sangsues

b) Endoparasites (internes) : logés à l’intérieur de l’organisme Exemples : ténia, ascaris, ver solitaire, plasmodium (agent du paludisme)

c) Parasites végétaux : plantes dépendant d’autres plantes Exemples : gui, cuscute, orobanche

3-La compétition

La compétition survient lorsque plusieurs organismes exploitent les mêmes ressources limitées (nourriture, eau, lumière, espace, partenaires). Elle façonne la structure et la composition des communautés écologiques.

Types de compétition :

a) Compétition intraspécifique : entre individus de la même espèce

• Souvent la plus intense car les besoins sont identiques
• Exemple : deux lions mâles s’affrontant pour diriger une troupe

b) Compétition interspécifique : entre espèces différentes

• Pour l’accès aux ressources communes
• Exemple : zèbres et gnous broutant les mêmes herbages

Principales ressources en compétition :

• Nourriture (proies, végétaux, nutriments)
• Espace (territoire, abris, sites de reproduction)
• Lumière (essentielle pour les végétaux)
• Partenaires sexuels (reproduction)
• Eau (vitale, particulièrement en zones arides)

4-La symbiose

La symbiose est une association étroite et durable entre deux espèces différentes (symbiontes) qui bénéficient mutuellement de cette coopération. Elle illustre l’importance des relations coopératives dans l’évolution et l’adaptation des organismes.

Caractéristiques :

• Association obligatoire et durable
• Avantages réciproques pour les deux partenaires

Exemples de symbioses :

a) Lichen (algue + champignon)

• Algue : produit des nutriments par photosynthèse
• Champignon : assure protection, rétention d’eau et apport minéral
• Résultat : colonisation de milieux extrêmes

b) Poisson-clown et anémone de mer

• Poisson : protection contre les prédateurs grâce aux tentacules urticants
• Anémone : nettoyage et apports alimentaires

c) Rhizobium et légumineuses

• Bactéries : habitat et nutriments fournis par la plante
• Plante : enrichissement en azote grâce à la fixation atmosphérique

5- La coopération

La coopération est une relation où des individus, généralement de la même espèce, collaborent pour accomplir des tâches profitant à l’ensemble du groupe.

Caractéristiques :

• Principalement intraspécifique
• Bénéfice collectif partagé
• Augmentation des chances de survie

Formes de coopération :

• Chasse collective Exemple : meutes de loups capturant des proies plus grandes avec une efficacité accrue

• Défense collective Exemple : bancs de poissons désorientant les prédateurs pour une meilleure protection

• Vie sociale organisée Exemple : fourmis et abeilles avec division du travail (ouvrières, soldats, reine) optimisant l’exploitation des ressources

• Migration en groupe Exemple : oies volant en formation en V, économisant l’énergie et facilitant l’orientation

Tableau récapitulatif des relations trophiques :

II. La Chaîne Alimentaire et le Réseau Alimentaire

1. La chaîne alimentaire

Dans une zone humide, un naturaliste observe le comportement des animaux. Il remarque que les insectes (comme les libellules) se nourrissent de plantes aquatiques. Ces insectes sont ensuite capturés par la grenouille. À son tour, la grenouille est chassée par le serpent. Enfin, ce serpent est la proie d’un rapace majestueux : l’aigle.

La chaîne alimentaire du texte :

Plante aquatique –>Insecte –> Grenouille –>Serpent –> Aigle

La relation qui lie ces êtres vivants est une relation de prédation successive, où chaque organisme sert de nourriture au suivant. Cette succession de relations de prédation constitue une chaîne alimentaire.

La définition de la chaîne alimentaire :c’est une suite linéaire d’êtres vivants dans laquelle chaque maillon se nourrit de celui qui le précède et sert de nourriture à celui qui le suit. Elle représente le trajet de la matière et de l’énergie à travers différents niveaux trophiques dans un écosystème.

Caractéristiques principales :

• Origine : débute toujours par un producteur primaire (végétal chlorophyllien ou phytoplancton)
• Niveaux intermédiaires : consommateurs successifs (herbivores puis carnivores)
• Sommet : prédateur terminal sans prédateur naturel
• Flux : les flèches indiquent le transfert de matière et d’énergie entre les niveaux

2. Le réseau alimentaire

Définition du réseau alimentaire : (ou réseau trophique) est l’ensemble des chaînes alimentaires interconnectées d’un écosystème. Il représente la totalité des relations trophiques qui existent entre les différents organismes vivants d’une communauté biologique.

Le réseau alimentaire offre une représentation plus réaliste et plus complète que la simple chaîne alimentaire. Il met en évidence l’interdépendance complexe entre les espèces et souligne l’importance de la biodiversité pour la stabilité et le fonctionnement des écosystèmes. La disparition d’une espèce dans un réseau alimentaire peut avoir des répercussions en cascade sur l’ensemble de la communauté biologique.

III. Les Pyramides Trophiques

1- Définition pyramides trophiques :

Types de pyramides trophiques :

a) Pyramide des nombres :

• Représente le nombre d’individus à chaque niveau trophique
• Peut parfois être inversée (exemple : un arbre → nombreux insectes)
• Unité : nombre d’individus/m² ou /ha

b) Pyramide des biomasses :

• Représente la masse totale de matière vivante à chaque niveau
• Généralement pyramidale dans les écosystèmes terrestres
• Peut être inversée dans certains milieux aquatiques
• Unité : kg/ha ou g/m² (en poids sec)

c) Pyramide des énergies :

• Représente l’énergie disponible à chaque niveau trophique
• Toujours de forme pyramidale (jamais inversée)
• La plus représentative du fonctionnement réel de l’écosystème
• Unité : kJ/m²/an ou kcal/m²/an

Caractéristiques communes :

• Diminution progressive de la base vers le sommet
• Illustrent les pertes à chaque transfert trophique
• Mettent en évidence la règle des 10%

2- Étude quantitative d’une chaîne alimentaire – Exercice intégré

Situation d’étude : Soit un écosystème composé d’un champ de luzerne de 4 hectares (ha) qui sert à nourrir des veaux, eux-mêmes mangés en un an par des enfant.

Données quantitatives :

Exploiter ces données pour répondre aux questions suivantes.

1-Reconstituez la chaîne alimentaire étudiée :

Luzerne → Veaux → Enfant

2-Construisez la pyramide de biomasse de cette chaîne alimentaire

Données à utiliser :

• Luzernes (T₁) : 8 000 kg
• Veaux (T₂) : 1 000 kg
• Enfants (T₃) : 50 kg

Pour construire une pyramide de biomasse, nous utilisons des rectangles superposés. La longueur (dimension horizontale) de chaque rectangle est l’élément variable : elle doit être proportionnelle à la quantité de matière organique selon l’échelle choisie. À l’inverse, la hauteur de chaque palier reste généralement fixe pour tous les niveaux trophiques afin de faciliter la lecture et la comparaison visuelle des transferts de biomasse.

Choix de l’échelle : Pour une représentation claire, on peut utiliser l’échelle suivante :

• 1 cm de longueur = 1 000 kg de biomasse

Donc :

Enfants – 50 kg –> 0,05 cm de longueur

Veaux – 1 000 kg –> 1 cm de longueur

Luzernes – 8 000 kg –> 8 cm de longueur

Construction de la pyramide :

Observations : La biomasse diminue fortement à chaque niveau trophique. cette représentation illustre visuellement les pertes de matière lors des transferts

3- Calculez le rendement de biomasse pour chaque niveau

Définition du rendement : Le rendement de biomasse correspond au rapport entre la biomasse produite par un maillon de la chaîne et la biomasse ingérée par ce maillon.

Formule :

a) Rendement au niveau 2 (Veaux) :

Biomasse consommée = 8 000 kg de luzerne
Biomasse produite = 1 000 kg de veaux

Rendement R2 = 12,5%

b) Rendement au niveau 3 (Enfants) :

Biomasse consommée = 1 000 kg de viande de veau
Biomasse produite = 50 kg (masse corporelle enfant)

Rendement R3 = 5%

Tableau récapitulatif :

Interprétation :

• Seulement 12,5% de la biomasse de luzerne consommée est transformée en biomasse de veau
• Seulement 5% de la biomasse des veaux consommée est transformée en biomasse des enfants
• 87,5% et 95% de la biomasse sont perdus respectivement à chaque niveau
• Ces pertes sont dues aux excréments, à la respiration et aux parties non consommées

4-Calculez le rendement énergétique pour chaque niveau trophique

Formule du rendement énergétique :

Rendement énergétique (%) = (Énergie du niveau N / Énergie du niveau N-1) × 100

Données énergétiques :

• Luzernes (T₁) : 32 000 000 kJ
• Veaux (T₂) : 4 000 000 kJ
• Enfants (T₃) : 200 000 kJ

b) Rendement énergétique T1 → T2 :

b) Rendement énergétique T2 → T3 :

Tableau des rendements énergétiques :

Rendement global T₁ → T₃ :

Conclusion partielle : Seulement 0,625% de l’énergie initiale de la luzerne se retrouve dans la biomasse de l’enfant. Plus de 99% de l’énergie est perdue au cours des transferts trophiques successifs.

5-Comment expliquer l’évolution des rendements énergétiques d’un niveau trophique à un autre plus élevé ?

Les faibles rendements énergétiques (5% à 12,5%) s’expliquent par plusieurs facteurs :

Les pertes d’énergie entre niveaux trophiques s’expliquent par :

a) Non-consommation (10-30%) Parties non comestibles (racines, os, plumes), organismes non chassés (morts naturelles) et restes alimentaires.

b) Non-assimilation (30-70%) Matière ingérée mais non digérée, éliminée dans les excréments. Plus importante chez les herbivores (cellulose indigeste) que chez les carnivores.

c) Respiration et métabolisme (50-70%) Oxydation de la matière organique pour produire l’énergie (ATP) nécessaire au maintien de la température, aux mouvements, au fonctionnement des organes et à la croissance. L’essentiel est dissipé sous forme de chaleur perdue.

d) Excrétion (5-10%) Déchets métaboliques (urée, acide urique) contenant encore de l’énergie non récupérée.

Schéma du bilan énergétique :

Conséquences écologiques :

• Limitation à 4-5 niveaux trophiques : avec 10% de rendement par niveau, l’énergie devient insuffisante au-delà (100% → 10% → 1% → 0,1%)
• Pyramide de biomasse : décroissance de la biomasse à chaque niveau supérieur
• Rareté des super-prédateurs : leur maintien nécessite une large base de producteurs.
• Importance des producteurs primaires : la productivité globale dépend de cette base.
• L’énergie ne se recycle pas (flux unidirectionnel)
• Les écosystèmes nécessitent un apport permanent d’énergie solaire

Cette règle des 10% (ou loi de Lindeman) est fondamentale pour comprendre la structure et le fonctionnement des écosystèmes.

Comparaison des rendements :

IV. L’Écosystème et ses Aspects Dynamiques

Exemple des Aspects dynamiques de l’écosystème – Étude de l’île Krakatoa

Contexte historique : L’île de Krakatoa, située en Indonésie, a été le théâtre d’une éruption volcanique catastrophique en 1883. Cette éruption a complètement détruit la vie sur l’île, créant ainsi une « table rase » écologique parfaite pour étudier la recolonisation naturelle d’un milieu et la naissance d’un nouvel écosystème.

Figure 1 : Tableau des étapes de repeuplement végétal et animal

Figure 2 : Évolution du nombre d’espèces d’oiseaux

Le tableau montre une augmentation progressive du nombre d’espèces d’oiseaux :

Les principales étapes de la création d’un écosystème

Après l’éruption de 1883, l’île stérile de Krakatoa s’est repeuplée progressivement en 5 étapes sur environ 70 ans.

Colonisation pionnière (0-3 ans) : Les mousses, fougères et lichens arrivent en premier sur le sol nu. Ils survivent dans des conditions extrêmes et enrichissent le sol en matière organique. Quelques insectes volants et araignées s’installent aussi.

Stade herbacé (3-14 ans) : Les herbes couvrent le sol devenu plus riche. Les premiers vertébrés apparaissent : lézards et oiseaux insectivores. Des chaînes alimentaires simples se forment.

Stade arbustif (14-37 ans) : Arbustes et premiers arbres s’installent, créant différents niveaux de végétation. La faune se diversifie : reptiles, oiseaux variés, rats. Plusieurs niveaux trophiques apparaissent.

Forêt secondaire (37-67 ans) : Une vraie forêt se développe avec grande diversité animale (36 espèces d’oiseaux, mammifères comme chauves-souris et primates). Les réseaux trophiques sont complexes.

Climax (>67 ans) : Stade final stable. Forêt tropicale mature où la composition en espèces ne change plus. Biodiversité et biomasse maximales. L’écosystème s’autorégule et reste en équilibre.

Mécanismes de l’évolution des écosystèmes :

Facilitation : Les espèces pionnières modifient le milieu (enrichissement du sol, création d’ombrage et de microclimats) et facilitent ainsi l’installation des espèces suivantes.

Succession écologique : Remplacement progressif des espèces à croissance rapide par des espèces à croissance lente. La complexité structurale augmente au fil du temps.

Colonisation : Les espèces arrivent par voie aérienne (spores, graines légères, insectes volants, oiseaux), par voie maritime (débris flottants transportant reptiles et graines), ou par introduction accidentelle (rats avec les bateaux).

La définition d’un climax

Définition : État d’équilibre dynamique où la composition en espèces ne change plus significativement dans le temps.

Caractéristiques principales :

• Stabilité : Composition en espèces constante, les individus morts sont remplacés par des jeunes de même espèce
• Biodiversité maximale : Plus grand nombre d’espèces, niches écologiques spécialisées, réseaux trophiques complexes
• Biomasse maximale : Productivité = Respiration (équilibre énergétique), recyclage efficace de la matière
• Résilience élevée : Autorégulation par prédation et compétition, cycles biogéochimiques établis
• Dépendance climatique : Le type de climax dépend du climat (forêt tropicale, tempérée, savane, toundra)

Types de climax :

• Climatique : déterminé par le climat (ex : forêt tropicale à Krakatoa)
• Édaphique : déterminé par le sol (ex : tourbière)
• De perturbation : maintenu par perturbations régulières (ex : prairie avec pâturage)

Équilibre dynamique : Le climax n’est pas figé. Des perturbations naturelles (chutes d’arbres) créent des ouvertures rapidement recolonisées. L’aspect général reste stable avec une mosaïque de zones à différents stades.

Durée variable : Le temps nécessaire pour atteindre le stade climax varie selon les conditions :

• 300-500 ans : climat boréal
• 70-100 ans : milieux volcaniques (exemple : Krakatoa)
• 150-200 ans : climat tempéré

Synthèse du Chapitre

Points clés à retenir