Flux de matière et d’énergie dans les écosystèmes  

Dans tous les écosystèmes, on trouve plusieurs types de relations qui peuvent s’établir entre les individus d’une même espèce (relation intraspécifique) ou entre des individus d’espèces différentes (relation interspécifique). Parmi ces relations, on distingue les chaînes alimentaires ou trophiques et les réseaux trophiques.

   1 –  Les chaînes et les réseaux trophiques.

         1 – 1 – La chaîne trophique

La chaîne alimentaire est formée d’une succession d’êtres vivants dans laquelle les individus se nourrissent les uns des autres dans un certain ordre. Dans cette chaîne trophique, chaque être vivant occupe une place précise constituant un maillon de la chaîne et représente un niveau trophique.

Le premier niveau trophique est toujours constitué de végétaux chlorophylliens qui sont des producteurs qui produisent la matière organique, succédés par les herbivores qui représentent les consommateurs primaires (CI) puis les consommateurs secondaires (CII) ainsi de suite…

Lorsque les êtres vivants meurent, la matière organique qui les constitue est décomposée et transformée progressivement en matière minérale par des organismes décomposeurs.

Scheme composed by: Elmar Uherek

Le document suivant montre certaines relations alimentaires entre les constituants de la biocénose d’un milieu forestier.

http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/IMG/reso.gif

1 – Dégager du document une chaîne alimentaire à 3 maillons et une autre à 4, puis déterminer leurs niveaux trophiques.

1 – une chaîne alimentaire à 3 maillons:

Herbe ———–> campagnol ———–> buse 

Producteur      Consommateur I          Consommateur II      

une chaîne alimentaire à 4 maillons:

Arbre ————–> larve —————–> pic ——————-> martre

Producteur      Consommateur I          Consommateur II            Consommateur III

       1 – 2 – Le réseau trophique

Les chaînes alimentaires ne sont pas isolées les unes des autres, mais elles peuvent avoir un ou plusieurs maillons en commun. Ces relations forment un réseau trophique. Pour situer la place d’une espèce au sein du réseau trophique, on procède à la détermination de son régime alimentaire.

Le document suivant montre un réseau trophique simplifié d’un milieu aquatique:

http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/spip.php?article1306

   2 – Les différentes interactions entre les êtres vivants

Au sein d’une biocénose, différents types d’interactions sont observés entre individus d’espèces différentes (interactions interspécifiques) ou de la même espèce (interactions intraspécifiques). Ces interactions peuvent être nuisibles, neutres ou bénéfiques.

Les principales interactions interspécifiques sont les suivantes:

La prédation: est une interaction biologique, dans laquelle un individu, le prédateur, se nourrit d’autres individus, les proies. (par exemple les lions ou guépards chassent les antilopes).

Image par Dariusz Labuda de Pixabay

Le parasitisme: est une association étroite entre deux espèces dont l’une, l’hôte, héberge la seconde qui vit à ses dépens. Exemples : certains parasites sont externes (la tique du chien) d’autres internes (le ténia).

La tique sur un chien

https://static.toutoupourlechien.com/2020/01/tiques-chien.jpg

La compétition: concerne deux espèces qui recherchent la même ressource, dans la même niche écologique. Exemple : la compétition des plantes herbacées pour la lumière en milieu forestier, ou entre les hyènes et les lions.

https://www.quora.com/What-are-examples-of-competition-in-the-animal-kingdom

La symbiose: relation écologique obligatoire à bénéfices réciproques. Exemples : l’association entre une algue et un champignon, formant les lichens. Dans ce cas, l’algue procure la matière organique à l’hétérotrophe (champignon), qui lui procure l’eau et les ions minéraux.

Image par Marc Pascual de Pixabay

Le mutualisme : association non obligatoire à bénéfices réciproques. Exemple : le petit crabe qui vit dans la moule reçoit protection et nourriture, tandis que l’intérieur de la moule est nettoyé par le crabe. Cependant, l’un et l’autre peuvent vivre séparés.

https://www.opalesurfcasting.net/IMG/moule.jpg

Le commensalisme : association dont un seul tire profit, sans pour autant nuire à l’autre. Exemple : le chacal vient se nourrir des restes de proie laissés par les lions.

https://en.wikipedia.org/wiki/File:2012-bb-jackal-1.jpg

Le neutralisme: c’est la cohabitation des espèces sur un même territoire sans exercer d’influence entre elles. Exemple: le cas de la musaraigne et du cerf dans une forêt.

D’autre part les relations intraspécifiques s’établissent entre individus de la même espèce, formant une population. Il s’agit de phénomènes de coopération ou de compétition, avec partage du territoire, et parfois organisation en société hiérarchisée.

  3 – Le flux de la matière et de l’énergie dans l’écosystème

La multitude d’êtres vivants qui peuplent un biotope est unie par des liens de nature alimentaires qui jouent un rôle essentiel dans la cohésion de la biocénose. L’ensemble de ces liens constitue des réseaux trophiques, qui assurent la circulation de la matière et, en conséquence, le transfert d’énergie sous forme biochimique entre les divers organismes de l’écosystème.

       3 – 1 – Le flux de la matière dans l’écosystème

Dans les écosystèmes, les producteurs (autotrophes), pour la plupart des végétaux chlorophylliens qui utilisent une fraction du flux solaire pour élaborer des matières organiques à partir de la matière minérale (gaz carbonique, eau et sels minéraux). Cette matière organique (glucides, protides, lipides) sert à nourrir les consommateurs (hétérotrophes).

Les décomposeurs (champignons, bactéries et autres microorganismes hétérotrophes) utilisent la matière organique morte (détritus végétaux, excréta et cadavres d’animaux) dont ils assurent le fractionnement, la transformation, la décomposition et la minéralisation. Elle

redevient disponible pour les producteurs et utilisable pour la synthèse de nouvelles matières organiques.

Cette circulation de la matière est dite cycle de la matière.

On peut distinguer:
– la production primaire brute: représente la quantité totale de matière organique produite par unité de temps par un individu, une population, une zone ou un volume d’eau. Elle est exprimée en unité de masse par unité de surface par unité d’intervalle de temps.
– La productivité primaire nette: représente la quantité de matière organique produite utilisable par les consommateurs. Elle correspond à la production primaire brute moins les pertes induites par la respiration des plantes.
– La productivité secondaire: représente la quantité de matière organique fournie par les consommateurs.

 Au sein des écosystèmes, la biomasse et la productivité sont représentées sous forme de pyramides, chaque niveau trophique étant représenté par un rectangle dont la longueur est proportionnelle à la quantité exprimée dans l’étude, mais sa largeur reste constante.

Application:

Le tableau suivant représente la biomasse en Km3 d’eau de mer et la durée de renouvellement de certaines espèces dans un écosystème marin.

1 – Calculer la productivité annuelles de chaque niveau trophique.

2 – Réaliser la pyramide de la productivité de cet écosystème 

1 -La productivité annuelles du phytoplancton:

10 t/km3 ————-> 2 jours

x  t/km3 ————-> 365 jours

x = 365 . 10/2 = 1825 t/km3/an

  • Du micro-zooplancton: 

18 t/km3 ————-> 60 jours

x  t/km3 ————-> 365 jours

x = 365 . 18/60 = 109,5 t/km3/an

  • Du méga-zooplancton:

5,4 t/km3 ————-> 180 jours

x  t/km3 ————-> 365 jours

x = 365 . 5,4/180 = 10,95 t/km3/an

  • Du poisson:

1,8 t/km3 ————-> 700 jours

x  t/km3 ————-> 365 jours

x = 365 . 1,8/700 = 0,938 t/km3/an

2 – La pyramide de la productivité:

   3 – 2 – Le flux de l’énergie dans l’écosystème

 les producteurs primaires (les végétaux chlorophylliens) utilisent l’énergie solaire pour la synthèse de la matière organique,  qui sera utilisée à son tour par les consommateurs pour leurs fournir de l’énergie nécessaire à leurs diverses fonctions vitales. Donc le transfert de la matière est accompagné d’un transfert d’énergie entre les divers organismes de l’écosystème.

On peut représenter l’énergie chimique utilisable à chaque niveau trophique sous forme de pyramide des énergies.

1 – Calculer le rendement énergétique de chaque niveau trophique par rapport à l’énergie solaire.

2 – Comparer les rendements énergétiques et interpréter les résultats obtenus.

1 – le rendement énergétique de chaque niveau trophique

2 – On observe que le rendement énergétique diminue lorsqu’on passe à un niveau supérieur de la chaîne. on peut interpréter cette diminution par la perte d’énergie:

  – Une partie non utilisée NU

  – Une partie non assimilée NA

  – Une partie utilisée par leurs activités( respiration, fermentation).

 Donc seulement une partie de l’énergie passe d’un niveau à un autre.

PB: Productivité brutePN: Productivité nettePS: Productivité secondaireNU: Non utiliséeNA: Non assimilée
R: RespirationF: Fermentation

3 – Notion d‘écosystème et ses aspects dynamiques.

Un écosystème est un ensemble vivant formé par une biocénose constituée par un groupement de différentes espèces en interrelations entre elles et avec le biotope (sol, climat, eau, lumière) dans lequel elles vivent, sur une échelle spatiale/temporelle donnée. L’écosystème regroupe des conditions particulières et permet le maintien de la vie. Et réciproquement, cette vie constitue et maintient l’écosystème.

Le climax est un état théorique dans lequel un sol ou une communauté végétale a atteint un état d’équilibre stable et durable avec les facteurs édaphiques et climatiques du milieu. Toute perturbation du milieu, naturelle ou anthropique ( humaine), détruirait cet état climacique. En l’absence de nouvelle perturbation, le sol et la communauté végétale évolueraient de nouveau vers leur climax.

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