Écosystème : structure et composants
Un écosystème est une partie de la nature où les êtres vivants et leur milieu fonctionnent ensemble comme une seule unité. Il peut être grand (une forêt, la mer) ou petit (une mare, un aquarium). Un champ cultivé ou un aquarium est un écosystème artificiel.
Composants
- Abiotiques (non vivants) : lumière du Soleil, température, eau, sol, air, minéraux.
- Biotiques (vivants) : producteurs (plantes vertes, phytoplancton), consommateurs (herbivores et carnivores) et décomposeurs (bactéries, champignons).
Structure
La structure indique quelles espèces sont présentes et comment elles sont organisées. La composition en espèces est la liste des espèces. La stratification est l'organisation verticale en couches : dans une forêt, les arbres en haut, puis les arbustes, puis les herbes et le gazon. Chaque couche reçoit une quantité de lumière différente.
Quatre fonctions
Chaque écosystème remplit quatre rôles : la productivité, la décomposition, le flux d'énergie et le cycle des nutriments.
Une mare : un exemple simple
Abiotiques : eau, minéraux dissous, lumière du Soleil. Producteurs : phytoplancton, algues, plantes flottantes et enracinées. Consommateurs : zooplancton, petits poissons, gros poissons. Décomposeurs : bactéries et champignons au fond.
Productivité : PPB et PPN
La production primaire est la quantité de biomasse (matière organique) fabriquée par les plantes par unité de surface pendant un temps donné. La vitesse de fabrication est la productivité, notée g m⁻² an⁻¹ ou kcal m⁻² an⁻¹.
- Productivité primaire brute (PPB) : vitesse totale de fabrication de matière organique par photosynthèse.
- Respiration (R) : part de la PPB utilisée par les plantes elles-mêmes.
- Productivité primaire nette (PPN) : ce qui reste pour les animaux et les décomposeurs : PPN = PPB − R.
- Productivité secondaire : vitesse à laquelle les consommateurs fabriquent de la nouvelle matière organique.
La productivité dépend de l'espèce de plante, de la lumière, de la température, de l'eau et des nutriments. Toute la Terre fabrique environ 170 milliards de tonnes (masse sèche) de matière organique par an. Les océans couvrent environ 70 % de la surface mais n'en donnent qu'environ 55 milliards de tonnes, car l'eau profonde reçoit peu de lumière et peu de nutriments.
Décomposition : cinq étapes
Les décomposeurs transforment la matière morte complexe (les détritus : feuilles mortes, écorce, fleurs, animaux morts, bouse) en substances inorganiques simples comme le CO₂, l'eau et les nutriments.
- Fragmentation : des détritivores comme les vers de terre cassent les détritus en minuscules morceaux.
- Lessivage : les nutriments solubles dans l'eau descendent dans le sol et s'y déposent sous forme de sels.
- Catabolisme : les enzymes des bactéries et des champignons transforment les détritus en substances inorganiques plus simples.
- Humification : une substance sombre et spongieuse appelée humus se forme. Elle résiste aux microbes, se décompose très lentement et sert de réserve de nutriments.
- Minéralisation : l'humus est lentement dégradé par les microbes, ce qui libère des nutriments inorganiques.
Ce qui contrôle la vitesse
Rapide quand les détritus sont riches en azote et en sucres et quand il fait chaud et humide. Lente quand ils sont riches en lignine et en chitine, et quand il fait froid, sec ou sans oxygène (anaérobie). La décomposition a besoin d'oxygène.
Flux d'énergie
Le Soleil est la seule source d'énergie de presque tous les écosystèmes (les sources hydrothermales des grands fonds sont une exception). Moins de 50 % de la lumière du Soleil est du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), et les plantes n'en captent qu'environ 2 à 10 %. Cette petite part fait vivre tout le monde vivant.
L'énergie circule dans un seul sens : Soleil → producteurs → consommateurs. Elle n'est jamais recyclée. À chaque transfert, beaucoup d'énergie est perdue sous forme de chaleur, comme le dit le deuxième principe de la thermodynamique.
Chaînes alimentaires et niveaux trophiques
- Chaîne alimentaire de broutage : commence par les plantes vertes : herbe → chèvre → homme.
- Chaîne alimentaire de détritus : commence par la matière morte : détritus → décomposeurs (champignons, bactéries) → détritivores. Dans un écosystème terrestre, beaucoup plus d'énergie passe par la chaîne de détritus que par celle de broutage.
- Les chaînes se rejoignent pour former un réseau trophique.
- Niveaux trophiques : producteurs (1er), herbivores / consommateurs primaires (2e), carnivores / consommateurs secondaires (3e), consommateurs tertiaires (4e).
- Biomasse sur pied : la masse de matière vivante d'un niveau trophique à un moment donné.
Loi des 10 %
Environ 10 % seulement de l'énergie d'un niveau passe au suivant (Lindeman). Ainsi 10 000 J dans les plantes → 1 000 J chez les herbivores → 100 J → 10 J. C'est pourquoi les chaînes alimentaires ont rarement plus de 4 à 5 niveaux.
Pyramides écologiques : nombre, biomasse, énergie
Dessine les producteurs à la base et chaque niveau trophique supérieur au-dessus. La pyramide peut montrer le nombre, la biomasse (masse sèche) ou l'énergie.
- Pyramide de nombre : dans une prairie elle est droite (beaucoup de plants d'herbe, moins de sauterelles, moins de grenouilles). Un seul grand arbre avec beaucoup d'insectes et d'oiseaux donne une forme inversée ou en fuseau.
- Pyramide de biomasse : en général droite sur terre. En mer elle est inversée : la masse de phytoplancton à un instant donné est faible parce qu'il se multiplie et se fait manger très vite, alors que la masse des poissons est plus grande.
- Pyramide d'énergie : toujours droite, car de l'énergie est perdue à chaque étape et un niveau ne peut jamais avoir plus d'énergie que celui qui le nourrit.
Limites des pyramides
Elles ignorent qu'une espèce peut se trouver à deux niveaux à la fois, elles supposent des chaînes alimentaires simples (la nature a des réseaux), et elles oublient les saprophytes (décomposeurs) alors qu'ils sont essentiels.
Ce que l'examen demande
Questions fréquentes : définir la PPB et la PPN et écrire PPN = PPB − R ; citer et expliquer les étapes de la décomposition avec les facteurs ; expliquer pourquoi la pyramide d'énergie est toujours droite ; donner un exemple de pyramide de nombre ou de biomasse inversée ; calculer l'énergie d'un niveau supérieur avec la loi des 10 % ; comparer les chaînes de broutage et de détritus. Les calculs sont courts mais rapportent des points faciles : écris toujours la formule d'abord.
Formules et définitions clés
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Exemples résolus
1. Un champ a une PPB = 20 000 kcal m⁻² an⁻¹ et les plantes utilisent 4 000 kcal m⁻² an⁻¹ pour la respiration. Trouve la PPN.
PPN = PPB − R = 20 000 − 4 000 = 16 000 kcal m⁻² an⁻¹.
2. Un lac a une PPN = 6 000 et R = 2 000 kcal m⁻² an⁻¹. Trouve la PPB.
PPB = PPN + R = 6 000 + 2 000 = 8 000 kcal m⁻² an⁻¹.
3. Les plantes captent 50 000 J. Avec la loi des 10 %, combien arrive à un consommateur secondaire ?
Consommateur primaire : 10 % de 50 000 = 5 000 J. Consommateur secondaire : 10 % de 5 000 = 500 J.
4. Un serpent (consommateur tertiaire) reçoit 25 J. Quelle énergie y avait-il chez les producteurs ?
On remonte en multipliant par 10 à chaque étape. Secondaire : 250 J, primaire : 2 500 J, producteurs : 25 000 J.
5. Une forêt reçoit 1 000 000 J de PAR et la PPB en stocke 20 000 J. Trouve le rendement photosynthétique.
Rendement = 20 000 ÷ 1 000 000 × 100 = 2 %. C'est dans l'intervalle habituel de 2 à 10 %.
6. Les herbivores d'une prairie contiennent 1 500 kJ et les carnivores qui les mangent 120 kJ. Trouve le rendement écologique et compare-le à la loi des 10 %.
Rendement = 120 ÷ 1 500 × 100 = 8 %. C'est un peu moins que 10 %, ce qui est normal : le chiffre de 10 % n'est qu'une moyenne.
7. La PPB d'une culture est de 30 000 kcal m⁻² an⁻¹ et la respiration vaut 30 % de la PPB. Les vaches mangent 10 % de la PPN. Quelle énergie les vaches prennent-elles ?
R = 0,3 × 30 000 = 9 000. PPN = 30 000 − 9 000 = 21 000. Vaches : 10 % de 21 000 = 2 100 kcal m⁻² an⁻¹.
8. Pourquoi une chaîne alimentaire a-t-elle rarement plus de cinq niveaux ? Montre-le avec des nombres en partant de 100 000 J.
100 000 → 10 000 → 1 000 → 100 → 10 → 1 J. Au sixième niveau il ne reste que 1 J, bien trop peu pour faire vivre une population d'animaux.
9. Quelle pyramide est inversée dans chaque cas ? (a) pyramide de nombre d'un banian avec des insectes, (b) pyramide de biomasse en mer, (c) pyramide d'énergie dans une mare.
(a) Inversée (un arbre, beaucoup d'insectes). (b) Inversée (petite masse de phytoplancton, masse de poissons plus grande). (c) Jamais inversée : la pyramide d'énergie est toujours droite.
Erreurs fréquentes
- Écrire PPN = PPB + R. La respiration est une perte, donc PPN = PPB − R.
- Dire que l'énergie est recyclée dans un écosystème. Les nutriments circulent en cycle ; l'énergie ne circule que dans un sens et sort sous forme de chaleur.
- Croire que la pyramide de biomasse est toujours droite. En mer, elle est inversée.
- Confondre l'humification (l'humus se forme) avec la minéralisation (l'humus est dégradé et libère des minéraux).