le flux de l’énergie et de la matière dans l’écosystème

L’écosystème est une structure composée de deux constituants : le biotope représentant l’ensemble de êtres vivants occupant un milieu de vie constitué de la somme des conditions gouvernant la vie de ces êtres. Ainsi dans un écosystème l’être vivants se trouve sous le contrôle de deux types de relation avec son environnement :

- Des relation abiotiques : les relations entre l’être vivant et les conditions physiques et chimiques du milieu (température, humidité, pluviométrie, nature du sol…)

- Des relations biotiques : les relations que noue l’individu avec les autres individus des autres espèces sui sont généralement des relations qui s’établissent sur la base de la nutrition : ce sont les relations trophiques. D’autre part, et à l’intérieur de l’espèce même on constate la présence d’un autre type de relations qui sont de type sociale (au niveau de la ruche des abeilles par exemple) ou des relations de reproduction (sexuelles). Ce deuxième type de relation (intraspécifiques) ne feront pas objet d’étude dans ce chapitre.

Les relation interspécifiques et donc trophiques, permettent de passage de la matière d’un être vivant vers un autre : c’est le flux de la matière accompagné toujours d’un autre flux, celui de l’énergie.

Comment peut-on déterminer le type de relation trophique entre les êtres vivants ?
Comment les relations trophiques aboutissent au flux de la matière et de l’énergie ?
Quel est le rôle de ces relations trophiques dans la naissance, le maintien et l’équilibre d’un écosystème ?

les relations trophiques entre les êtres vivants.

Dans tout écosystème, des relation trophiques s’installent. A partir des caractéristiques de chaque relation trophique on distingue plusieurs types :

Le parasitisme :

Une relation trophique obligatoire entre deux individus appartenant à des espèces différentes, au cours de laquelle l’un des deux individus est bénéficiaire au détriment du deuxième (appelé hôte) qui souffrent de la perte d’une part de ses réserves mais sans mourir.

Exemple : la relation entre les pucerons (insectes) qui se nourrissent de la sève de quelques plantes.

La prédation :

Relation trophique reliant deux individus de deux espèces différentes, au cours de laquelle une seule partie est bénéficiaire en se nourrissant du deuxième (en le tuant)

Exemple : la relation entre le lion et la gazelle

Le commensalisme :

Relation trophique reliant deux parties dont l’une est bénéficiaire mais sans nuire à la deuxième.

Exemple : la relation entre les petits poissons qui se nourrissent des restes de la nourriture des grands mammifères marins (baleine).

La symbiose :

Relation obligatoire permanente entre deux parties dont les deux sont bénéficiaires.

Exemple : la relation entre l’hippopotame et quelques types d’oiseaux qui se nourrissent des parasites occupant les pores de sa peau.

La coopération ou mutualisme :

Relation non obligatoire entre deux parties dont les deux parties sont bénéficiaires.

Exemple : La relation entre les fourmis qui se nourrissent (partiellement) des déjections des pucerons qui bénéficient de la protection des fourmis, mais peuvent le quitter.

La compétition :

Relation indirecte entre deux parties colonisant le même milieu et exploitent les mêmes ressources nutritives, au cours de laquelle une partie au moins en souffre.

Le saprophytisme :

Relation entre un être vivant (décomposeur) et les restes d’un autre organisme.

Régime, chaine et réseau trophique.

Le régime alimentaire :

Dans un écosystème, les êtres vivants se nourrissent de plusieurs façons. On y distingue deux systèmes alimentaires : celui des végétaux (les plantes vertes) qu’on appelle autotrophes du fait qu’il se nourrissent de la matière minérale simple (sels minéraux), alors que les animaux ne peuvent pas utiliser la matière minérale comme source de matière et d’énergie mais doivent obligatoirement dépendre d’autres organismes, végétaux ou animaux : ils sont donc hétérotrophes. Dans tout écosystème, vu le mode ou système alimentaire des êtres vivants on distingue :

Des producteurs de la matière organique qui sont tous des végétaux.
Des consommateurs de la matière organique qui sont tous des animaux.

En fonction de l’origine de leur nutrition on distingue 3 régimes alimentaires chez les animaux :

Le régime végétarien (herbivore ou phytophage) :

Caractérise les animaux qui se nourrissent uniquement des végétaux tels que les bovins.

Le régime carnivore ou zoophage :

Caractérise les animaux qui se nourrissent sur d’autres animaux tels que les prédateurs.

Le régime Omnivore :

Le cas de l’espèce humaine qui peut se nourrir de la matière organique en provenance des animaux et aussi des végétaux.

La chaine alimentaire.

Une chaine alimentaire est la représentation linéaire des relations trophiques en partant des espèces productrices (plantes vertes) suivis, et en ordre d’intervention, des différents consommateurs.

Exemple :

Dans une forêt on a pu mettre en évidence la présence de cette chaine alimentaire : les criquets se nourrissent des plantes, alors qu’ils sont eux même consommé par des rongeurs (souris), ces derniers composent la nourriture des serpents qui sont consommé par des aigles.

Pour représenter cette chaine alimentaire il faut classer ses différents maillons :

Les plantes : producteurs

Les criquets : consommateur du premier degré (CI)

Les rongeurs : consommateurs du deuxième degré (CII)

Les serpents : CIII

L’aigle : CIV

Représentation de la chaine alimentaire :

* on peut inverser le sens de la flèche mais elle aura une signification différente : « mangé par » au lieu de « se nourrie de »

2- le réseau alimentaire (trophique)

Un réseau trophique est une structure composée de la somme des chaines alimentaires caractérisant un écosystème.

Exemple :

Le krill est une petite crevette de petite taille et à corps transparent caractérisant les mers australes et joue un rôle important dans son écosystème, dans lequel on constate une variété au niveau de la biocénose (les êtres vivants du milieu), le tableau suivant présente les unités de cette biocénose et leurs modes de nutrition :

* le plancton : Organismes microscopiques vivants en suspension dans l’eau. On distingue :

Le Phytoplancton : Plancton végétal

Le Zooplancton : Plancton animal

1- Etablir une des plus longues chaines trophiques et l’une des plus courtes de ces chaines caractérisant cet écosystème.

2- Etablir le réseau trophique caractéristique de l’écosystème étudié.

4- Détermine la conséquence de la prolifération massive du krill.

Solution

1- Une des plus longues chaines trophiques :

Parmi les plus courtes chaines trophiques :

2- Le réseau trophique.

4- l’orque change de niveau trophique (dans ce réseau trophique) en fonction de la chaine alimentaire dont il fait partie, ainsi, les niveaux trophiques de cette espèce est : CII, CIII, CIV, CV.

5- Le Krill joue un rôle important dans ce réseau trophique, du fait qu’il constitue la nutrition de quatre maillons de ce réseau, et donc à première vue on peut déduire que sa prolifération sera bénéfique pour l’ensemble du réseau et de l’écosystème entier. Mais cette même prolifération massive sera destructrice pour le premier maillon, celui des phytoplanctons du fait de leur massive consommation ce qui engendrera un déséquilibre de l’écosystème.

III- L’étude quantitative des relations trophiques dans l’écosystème.

Dans un écosystème la matière organique est produite de la part de l’étage des producteurs représenté par les plantes vertes (ou chlorophylliennes) qui utilisent les sels minéraux, la lumière, l’eau et les échanges gazeux pour produire leur propre matière organique : c’est la productivité primaire. Le consommateur bénéficie de la matière organique présentée par le niveau trophique précédent, la dégrade (ingestion et digestion) et produit une nouvelle matière organique : c’est la productivité secondaire. On peut donc calculer le pourcentage par lequel bénéficie un niveau supérieur de la matière organique consommée (du niveau antérieur) : c’est le rendement dont la formule sera :

En termes d’énergie on peut calculer la productivité énergétique d’un maillon en soustrayant la quantité d’énergie produite de la quantité d’énergie consommée.

2- Le flux de la matière et de l’énergie dans l’écosystème

Au sein de la matière organique produite, une quantité d’énergie est emmagasinée, c’est ainsi que les plantes convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique présentée au premier consommateur (de CI à CII et ainsi de suite) au sein de la matière organique, et donc la production ou la consommation de la matière organique va toujours en parallèle avec la production ou la consommation de l’énergie. Il y’a donc passage ou flux d’énergie d’un niveau au suivant suite aux relations trophiques. Ce flux peut être calculé en utilisant les paramètres suivants :

La productivité nette (PN) : Concerne le premier étage dans tout écosystème, celui des plantes chlorophylliennes qui utilisent l’énergie lumineuse pour la convertir en énergie chimique.

La productivité secondaire (PS) : Concerne les différents consommateurs qui consomment l’énergie du niveau précèdent pour l’utiliser dans les différentes activités et le fonctionnement des organes et appareils du corps.

L’énergie perdue (R) : Le système digestif des consommateurs (herbivores, carnivores ou omnivore) n’a pas la capacité de conserver toute la matière (et l’énergie) ingérée, une bonne partie sera libérée sous forme de déjections mais aussi de chaleur, partie qui doit être prise en compte lors du calcul du flux d’énergie (et de la matière) d’un niveau à un autre.

L’énergie non utilisée ou non assimilée (NU ou NA) : Au cours de leur nutrition, les consommateurs ne peuvent ingérer qu’une partie (la plus grande possible) de la matière organique présentée comme aliment, une deuxième partie n’est pas assimilée telle que les racines des plantes, une bonne partie des feuilles… sera laissée sur place sans pouvoir les consommer de la part d’un animal herbivore, ce qui fait perdre, a ce dernier une bonne quantité d’énergie et de matière.

Le flux de l’énergie d’un niveau trophique au suivant est calculé par la formule par la formule :

A (flux d’énergie) = PN + R

Exemple :

On propose une chaine alimentaire composée de plantes, insectes et oiseaux, avec les données suivantes :

Les plantes chlorophylliennes absorbent une quantité d’énergie solaire (les photons) pour la convertir en Energie chimique. Le flux d’énergie (A) des plantes aux insectes est estimé à 27530 Kj alors qu’une grande quantité des plantes (matière organique et énergie) est perdue avant son utilisation de la part des insectes, cette partie végétale perdue est estimée à 26257 Kj.

Les insectes en se nourrissant de plantes perdent de l’énergie sous deux formes :

NU= 280 Kj

R= 953 Kj

Les insectes constituent la nutrition des oiseaux, ces derniers aussi, perdent de l’énergie sous deux formes :

NU1= 9 Kj

R1 = 30 Kj

1- Calculer la PN, PS1 et PS2

2- Calculer le rendement énergétique pour chaque maillon sachant que ce dernier représente le pourcentage en énergie dont bénéficie le maillon étudié de l’énergie ingérée.

3- Analyser les résultats et interpréter.

Solution.

- Calculons la productivité nette chez les plantes chlorophylliennes (PN)

Sachant que : A= ¨PN + R

Donc : PN = A – R application numérique : PN= 27530 Kj – 26257 Kj = 1273 Kj

- Calculons La productivité secondaire chez les insectes (PS1) :

La quantité d’énergie présentée aux insectes = PN = 1273 Kj

Ces derniers perdent une quantité d’énergie = NU + R = 280 Kj + 953 Kj = 1233 Kj

Et donc : PS1 = PN – (NU + R) = 1273 Kj – 1233 Kj = 40 Kj

- Calculons la productivité secondaire chez les oiseaux (PS2)

PS2 = PS1 – ( NU1 + R1) = 40 Kj – 39 Kj = 1 Kj

2- Calcul du rendement énergétique des maillons :

Pour les plantes : R= 100% x PN/A = 100% x (1273/27530) = 4,62%

Pour les insectes : R = 100% x (PS1/PN) = 100% x (40/1273) = 3,14%

Pour les oiseaux : R = 100% x (PS2/PS1) = 100% x (1/40) = 2,5%

3- Analyse :

Le rendement énergétique est en permanente diminution en passant d’un niveau trophique au suivant.

Interprétation :

L’énergie consommée de la part d’un maillon n’est pas utilisable ou conservable de façon complète dans le corps, une bonne partie est perdue sous forme de chaleur, de déjection, lors des interactions physiologiques c’est à dire lors des différentes activités du corps.

Le flux de la matière et de l’énergie dans un écosystème peut être illustré par le schéma suivant !

On constate que :

- Le flux de la matière et de l’énergie commence toujours par les plantes vertes (les producteurs)

- le flux, en traversant les différents niveaux du réseau trophique, diminue en permanence

3- Représentation graphique du flux de la matière et de l’énergie : les pyramides

Les données statistiques des écosystèmes concernant le nombre d’espèces, le nombre d’individus par espèce ainsi que le flux de l’énergie et de la matière peuvent être représenté sous forme de diagrammes appelés pyramides :

- Le pyramide des nombres : Représente l’évolution du nombre des individus par espèce le long de la chaine ou réseau trophique.

- Le pyramide de la biomasse : Représente l’évolution des masses (poids) générale de l’ensemble des individus par espèce dans l’écosystème étudiée

- Le pyramide de l’énergie : Représente l’évolution de la quantité de l’énergie élaborée par chaque niveau trophique de l’écosystème.

Une pyramide est un diagramme réaliser à la base d’une échelle donnée, composée d’étages représentatives des différents niveaux trophiques caractéristiques de l’écosystème représentés de façon ascendante (des producteurs vers le dernier consommateur) de la base vers le sommet.

Afin de réaliser les différentes pyramides d’un écosystème, on propose les données suivantes :

Un enfant de 15 ans se nourrit annuellement d’une quantité de viande de veaux qui se nourrissent eux-mêmes sur des plantes (la luzerne الفصة). Les données statistiques concernant cette chaine alimentaire sont représentées dans le tableau suivant :

Travail à réaliser :

1- Représentation de la chaine trophique avec les différents niveaux et régimes alimentaires

2- Représentation des différents pyramides écologiques (nombres, biomasse et énergie)

3- Calcul du rendement de l’énergie et de la biomasse pour chaque niveau

4- Expliquer l’évolution du rendement énergétique en passant d’un niveau trophique au niveau supérieur.

Eléments de réponse :

1- La chaine alimentaire :

Luzerne (Producteur) à Vache (Consommateur I) à Garçon (Consommateur II)

2- Les pyramides :

a- Pyramide des nombres : Echelle : 1Cm à 10 individus

b- Pyramide de la biomasse : Echelle : 1Cm à 50 Kg

c- Pyramide de l’énergie : Echelle 1Cm à 3.10³ Kj

3- Calcul du rendement énergétique et de la biomasse

a- Rendement de la biomasse :

R1 (entre la luzerne et les vaches) = (1035Kg/58484Kg).100% = 1,77%

R2 (entre les vaches et le garçon) = (48Kg/1035Kg).100%= 4,64%

Rf (Entre la luzerne et le garçon) = (84Kg/58484).100%= 8.10^-2

b- Rendement énergétique :

Considérons que :

E_s= Quantité d’énergie assimilée par les plantes

E_p = Quantité d’énergie produite par les producteurs (les plantes)

E_cI= Quantité d’énergie produite de la part des consommateurs I.

E_cII= Quantité d’énergie produite de la part des consommateurs II.

Le rendement énergétique (d’un niveau par rapport à l’énergie solaire assimilée) est :

R1 (Rendement énergétique des plantes) = (E_p/E_s).100%= (6,23.10⁷ KJ /26,334.10⁹ KJ) = 23,6.10^-2%

R2 (Rendement énergétique des consommateurs I) = (E_cI/E_s).100% = (4,97.10⁶ Kj /26,334.10⁹ KJ).100% = 1,9.10^-2%

R3 (Rendement énergétique des consommateurs II) = (E_cII/E_s).100% = (36,7.10³ Kj /26,334.10⁹ KJ) = 0,014.10^-2%

4- Interprétation :

Le rendement énergétique diminue d’un niveau trophique au suivant dans la même chaine tropique, cette diminution est due au fait que chaque niveau trophique utilise une part de l’énergie présentée dans la biomasse du niveau précédent (lors de sa consommation) pour synthétiser sa biomasse alors qu’une deuxième partie de cette énergie sera perdue lors des diverses activités du même être vivant.

IV- Les aspects dynamiques de l’écosystème.

A- La création d’un écosystème.

Un écosystème est un régime basé sur des principes et relations précise et mesurables entre ses différentes composantes. La naissance d’un écosystème est soumise, donc, à la nature de ces relations, leur établissement mais aussi leur durabilité dans un écosystème donné. Prenons l’exemple suivant :

Après l’explosion d’un volcan, au niveau d’une ile asiatique, des études ont révélés l’évolution suivante au niveau de la région :

Ainsi, on peut résumer les différentes étapes de la création de ce nouvel écosystème comme suit :

- Enrichissement du sol par de la matière minérale issue des cendres et de l’altération des roches par l’action chimique des eaux de pluies.

- Apport des grains de pollens par l’action des vents et les oiseaux migrateurs

- Installations des espèces fondatrices (ou pionnières) dont les besoins en eau et sels minéraux sont minimes telles que les champignons, les lichens, les mousses… Ces espèces saisonnières permettent l’amélioration du sol en produisant de la matière organique indispensable dans l’amélioration du sol en composant l’humus.

- Peuplement progressif du milieu par différentes espèces animales et végétales.

- Etablissement d’un équilibre naturel entre les éléments de la biocénose et entre celle-ci et le biotope pour arriver au stade final de l’évolution de l’écosystème (de point de vue équilibre naturel) appelé aussi le Climax.

De façon générale, l’écosystème est une structure dont les éléments s’interagissent entre eux, il nait, évolue pour arriver à l’état de Climax mais peut aussi être détruit pour qu’un nouvel écosystème voit le jour.