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Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Cours 14 Chapitres 53, 54 et 55 Campbell, 3 e édition 1. 1.SA STRUCTURE TROPHIQUE 2. 2.SON FLUX DÉNERGIE.

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1 Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Cours 14 Chapitres 53, 54 et 55 Campbell, 3 e édition 1. 1.SA STRUCTURE TROPHIQUE 2. 2.SON FLUX DÉNERGIE 3. 3.SON FLUX DE MATIÈRE 4. 4.SA RÉGULATION ET SES DÉSÉQUILIBRES Bernadette Féry Automne 2008 Source LÉCOSYSTÈME

2 1. 1.Niveaux trophiques de lécosystème 2. 2.Chaîne alimentaire 3. 3.Structure trophique de lécosystème 4. 4.Les producteurs des chaînes alimentaires Partie 1 : La structure trophique de lécosystème

3 Un niveau trophique est lensemble des organismes qui obtiennent leur énergie à partir du même étage alimentaire. Un niveau trophique = un étage alimentaire 1. 1.Niveaux trophiques de lécosystème HERBIVORE (Consommateurs primaires ) PRODUCTEURS CARNIVORE DE 1 e ORDRE (Consommateurs secondaires ) CARNIVORE DE 2 e ORDRE (Consommateurs tertiaires ) Troisième niveau trophique Quatrième niveau trophique Deuxième niveau trophique Premier niveau trophique Énergie et nutriments de lenvironnement Campbell (3 e éd.) Figure : 1264 Transfert

4 4 niveaux trophiques, en général, dans un écosystème BactériesMycètes Les OMNIVORES, les «mangeurs» de viande et de plantes, font partie de divers niveaux trophiques car ils se nourrissent de divers étages alimentaires. Lombric Campbell (3 e éd.) Figure : 1264 Les DÉTRITIVORES, les mangeurs des détritus végétaux et animaux, font partie de tous les niveaux trophiques. Scarabé Parfois, un cinquième niveau trophique sajoute : les consommateurs quaternaires

5 2.Chaîne alimentaire Transfert «en ligne droite» de lénergie et des nutriments dun niveau trophique à lautre, depuis les producteurs jusquaux détritivores, en passant par les consommateurs. Ensemble des êtres vivants qui se nourrissent «directement» les uns des autres. Détritivores Déchets organiques : excréments, urines, cadavres, détritus végétaux… Le lièvre mange le feuillage du sapin baumier. Le sapin Beaumier puise les éléments minéraux restitués par les détritivores afin de mener sa photosynthèse. Le loup mange le lièvre. Transformation des débris en éléments minéraux Une chaîne alimentaire de la forêt boréale

6 Campbell (3 e éd.) Figure : 1264 Complète les niveaux trophiques ! Quel type dorganismes manque-t-il pour que ces chaînes soient complètes ?

7 = structure trophique = réseau trophique = réseau alimentaire 3 et 4 Calmar 2 Zooplancton herbivore (copépode) 2 et 3 (krill) 3 Zooplancton carnivore 1 Phytoplancton 3 et 4 Oiseau 3 Poisson 4 et 5 Léopard de mer (phoque) 4, 5 et 6 Petits cétacés à dents 4, 5, 6 et 7 Humains 4, 5 et 6 Cachalot 3 Cétacés à fanons 3 Phoques crabiers 4 et 5 Éléphant de mer Campbell (3 e éd.) Figure : 1264 Une communauté de l'Antarctique 3.Structure trophique de lécosystème Un réseau trophique est constitué de multiples chaînes alimentaires reliées les unes aux autres de diverses façons. Sur ce schéma, tous les no 3 (carnivores de 1 e ordre) se nourrissent de létage no 2 (herbivores). Les éléphants de mer font partie du niveau 4 car ils mangent du poisson (niveau 3) et du niveau 5 car ils mangent des calmars (niveau 4).

8 4.Les producteurs des chaînes alimentaires MilieuSource dénergieType de chaîne alimentaire Producteurs Terrestre Énergie lumineuse Chaîne photosynthétique Végétaux Aquatique Énergie lumineuse Chaîne photosynthétique Cyanobactéries, algues microscopiques du plancton, grandes algues et végétaux aquatiques Abyssal Énergie tirée de loxydation du H 2 S (sulfure dhydrogène) et du CH 4 (méthane) Chaîne chimiosynthétique Bactéries hébergées par les vers tubicoles des cheminées chaudes et par les moules des suintements froids

9 Cliquez pour voir des algues microscopiques (Règne des protistes) Spirogyre Chlorella Volvox Algues vertes (3) espèces de Desmidiés Algues dorées (90% du phytoplancton) (3) espèces de Diatomés Rivularia Anabaena Nostoc Les cyanobactéries «algues bleu vert» sont minuscules car ce sont des cellules de type bactérien. (Domaine des Procaryotes) Agmenellum Les grandes algues, par exemple des laminaires ! (Règne des protistes)des laminaires Les algues microscopiques

10 Partie 2 : La circulation de lénergie dans lécosystème 4. 4.Les paramètres du flux dénergie dans lécosystème 5. 5.Les causes des pertes dénergie de lécosystème 6. 6.Lallocation énergétique de la Terre correspond au rayonnement solaire qui réussit à se frayer un chemin jusquau sol 7. 7.La productivité primaire concerne les producteurs 8. 8.La productivité secondaire concerne les consommateurs

11 4.Les paramètres du flux dénergie dans lécosystème A-Le flux dénergie est le transfert de l'énergie d'un niveau trophique à l'autre dans lécosystème.

12 Source Glucose Une exception Les écosystèmes marins des grands fonds sont alimentés par lénergie tirée de loxydation de certaines substances minérales (chimiosynthèse). B-Le rôle de l'énergie est dorganiser la matière minérale en matière organique en fournissant lénergie des liaisons chimiques entre les atomes. C-La source dénergie des écosystèmes est généralement la lumière solaire.

13 Spirogyre est éclairée par une lumière décomposée par un prisme. La croissance bactérienne est maximum autour des zones bleues et rouges car la photosynthèse plus intense libère plus de dioxygène. Lexpérience dEngelman prouve que la photosynthèse est maximum dans le bleu violet et le rouge Campbell (3 e éd.) Figure 10.9 : 200 D-Lénergie lumineuse qui alimente les écosystèmes est le bleu violet et le rouge (captée par la chlorophylle des chloroplastes). Comme le vert nest pas capté (donc réfléchi), les végétaux paraissent verts. Campbell (3 e éd.) Figure 10.1 : nm Bactéries Une algue «Spirogyre»

14 E-L'énergie circule des producteurs aux détrivores. Le flux de lénergie est unidirectionnel. F-Environ 1 % de l'énergie lumineuse pénètre dans les écosystèmes et y maintient les niveaux trophiques J J dénergie solaire x 1 % = Producteurs Consommateurs primaires Consommateurs secondaires Consommateurs tertiaires Campbell (3 e éd.) Figure : 1291

15 G-Environ 10% de l'énergie contenue dans un niveau trophique s'incorpore à la biomasse (masse biologique des organismes) du niveau suivant. La différence de 90% est perdue de multiples façons J dénergie solaire x 1 % = J dénergie accumulée dans les herbivores 100 J dénergie accumulée dans les carnivores primaires J dénergie accumulée dans les producteurs x 10 % = J 10 J dénergie accumulée dans les carnivores secondaires

16 H-Toute l'énergie qui entre dans lécosystème finit par se perdre en chaleur. Cette énergie perdue «dans lespace» nest pas recyclable. I-L'énergie perdue est continuellement renouvelée car le soleil continue d'éclairer la Terre. Lénergie est renouvelable. J-La quantité dénergie qui entre dans un écosystème détermine le nombre maximal de niveaux trophiques quil contient. Quand il n'y a plus assez d'énergie pour maintenir un niveau trophique supérieur, la chaîne alimentaire s'arrête. Pour cette raison, il y a rarement plus de 4 niveaux trophiques. K-Chaque chaîne alimentaire correspond à un seul circuit au sein du flux énergétique.

17 5.Les causes des pertes dénergie de lécosystème Grande sauterelle verte A-Ce qui est mangé Source Seule, une fraction de la proie végétale ou animale est effectivement prélevée et dévorée par le niveau supérieur.

18 La respiration cellulaire ne récupère quenviron 40% de lénergie enmagasinée dans les liens chimiques du glucose. B-Ce qui est assimilé Seule une partie des aliments ingérés est digérée puis absorbée vers le sang (assimilée). Ce qui n'est pas digéré sort du tube digestif à l'état de déchets. C-L'efficacité relative de la respiration cellulaire

19 La dégradation du glucose par respiration cellulaire libère lénergie des liens chimiques ainsi que les atomes constitutifs. Des 100% dénergie potentielle contenue dans les liens du glucose, 40% seulement est transféré à de lATP et, 60% est perdu en chaleur. Cette chaleur perdue est tout de même utile car elle contribue à maintenir la température corporelle des organismes. Explications sur lefficacité relative de la respiration cellulaire Glucose + 6O 2 6 CO H 2 O + Énergie Équation générale de la respiration cellulaire Chaleur 60% + 36 ATP Adénosine triphosphate 36 ADP + 36 Pi Adénosine diphosphate 40% LATP est la réserve dénergie qui permet la plupart du travail cellulaire. Une fois le travail cellulaire effectué, lénergie de lATP se dissipe en chaleur.

20 Démonstration de la perte de 60 % de lénergie du glucose lors de la respiration cellulaire 1.L'énergie potentielle d'une molécule de glucose est denviron kJ par mole de glucose. 2.La respiration cellulaire produit 36 ATP (eucaryotes) ou 38 ATP (procaryotes) à partir d'une mole de glucose. 3.Dans la cellule, la phosphorylation de lADP (en ATP) emprisonne 30,5 kJ/mol. 4.Le rendement de la respiration cellulaire chez les cellules eucaryotes est de : [ 36 ATP x 30,5 kJ/mol ] x 100 = ± 40 % kJ/ mol Références : Campbell (3 e éd.) : p. 72 et p. 174 LIRE

21 Une part de l'énergie des molécules d'ATP maintient le métabolisme basal de l'animal et ses diverses activités (reproduction, recherche de nourriture, toilettage…). E-Lénergie dépensée pour maintenir la vie D-Lefficacité relative du transfert de lénergie de lATP Acide Ammoniac ATP Glutamine ADP glutamique 30,5 kJ/ mol 14,2 kJ/ mol -16,3 kJ/ mol Énergie perdue en chaleur lors de la réaction Une part de l'énergie de l'ATP n'est pas récupérée lors d'une réaction chimique et se perd en chaleur. Campbell (3 e éd.) Figure 8.10 : 157

22 Coccinelles Activité de reproduction Bonobos Activité de toilettageRecherche de nourriture

23 6.Lallocation énergétique de la Terre correspond au rayonnement solaire qui réussit à se frayer un chemin jusquau sol De façon générale, plus le rayonnement solaire est intense plus l'écosystème dispose d'énergie pour sa photosynthèse. Lintensité du rayonnement solaire dépend de langle dincidence des rayons lumineux qui frappent le sol. Cet angle varie avec la latitude, la saison et lheure de la journée. la lumière doit traverser davantage de couches atmosphériques de sorte quune part plus grande de son énergie est absorbée ou reflétée avant d'atteindre le sol les rayons lumineux se dispersent sur une plus grande surface lorsquils arrivent au sol Angle élevé Angle faible Lorsque langle dincidence est élevé (aux hautes latitudes, près des pôles, mais aussi, le matin et le soir), il y a moins de lumière et de chaleur qui parvient au sol. Pour deux raisons : Campbell (3 e éd.) Figure : 1182 Angle élevé

24 La Terre reçoit chaque jour environ joules (1J = 0,239 cal) dénergie sous forme de rayonnement solaire. Le rayonnement solaire est en grande partie absorbé ou réfléchi par l'atmosphère selon les variations du couvert nuageux et la quantité de poussière contenue dans lair au-dessus des différentes régions. La majeure partie du rayonnement solaire qui atteint la Terre tombe sur des terrains dénudés et des étendues deau qui absorbent ou réfléchissent lénergie. Une petite quantité atteint les plantes, les Algues et les Procaryotes photosynthétiques. Seule une fraction de cette petite partie a une longueur donde appropriée à la photosynthèse (le rouge et le bleu). Les producteurs convertissent environ 1% de lénergie solaire qui leur parvient en énergie chimique, par photosynthèse, pour un total de 170 milliards de tonnes de matière organique par an.

25 7.La productivité primaire concerne les producteurs A-La productivité primaire brute (PPB) correspond à la quantité de carbone fixée dans la végétation par photosynthèse. Toute cette matière ne saccumule pas en biomasse végétale. La moitié environ est métabolisée au cours de la respiration cellulaire de la plante elle même. Un chloroplaste B-La productivité primaire nette (PPN) correspond à la croissance végétale annuelle exprimée en quantité d'énergie (J / m 2 / an) ou en quantité de matière sèche (g / m 2 / an). Elle se manifeste dans le temps comme un accroissement de taille de la plante et représente la nourriture disponible pour les hétérotrophes. La productivité primaire nette par an pour lensemble de la biosphère est denviron 170 milliards de tonnes (en poids sec) de matière organique. Arms, p Respiration

26 PPN = ajout de nouvelle biomasse chaque année. Biomasse mesurable = accumulation de la productivité primaire nette au fil des ans. PPNBIOMASSE Forêt Faible productivité car elle consomme une grande portion des produits de sa photosynthèse (par respiration). Grande biomasse végétale accumulée dans ses grands arbres formés de substances difficiles à digérer. Prairie Grande productivité car ses petites plantes respirent de façon modérée. Faible biomasse végétale car les petites plantes annuelles sont rapidement dévorées par les herbivores. C-Ne pas confondre productivité primaire nette et biomasse mesurable !

27 Leau et la température influencent fortement la productivité primaire des écosystèmes terrestres Dans les écosystèmes aquatiques leau, abondante, et la température, peu variable, ont peu dinfluence sur la productivité primaire. En revanche dans les écosystèmes terrestres la rareté de leau et les températures extrêmes ont une grande influence sur la productivité primaire. Photo © Jean-Jacques Cordier (Galerie photo l'Internaute) Désert de Gobi (entre la Chine et la Mongolie) En hiver le mercure peut atteindre les - 50 °C alors qu'en été, la température grimpe jusqu'à 40 °C. D-La productivité primaire dépend, de façon générale, de la qualité des facteurs abiotiques.

28 Campbell (3 e éd.) Figure : 1187 La lumière influence fortement la productivité primaire des écosystèmes aquatiques Dans les écosystèmes terrestres la lumière, abondante, a une influence plus restreinte sur la productivité primaire. En revanche dans les écosystèmes aquatiques labsence de lumière dans les zones profondes bloque la photosynthèse et la productivité primaire est limitée à la zone éclairée ou euphotique. Océan Lac

29 Nutriment limitant : nutriment dont les producteurs ont besoin mais souvent présent en faible quantité Les nutriments limitants N Fe P influencent fortement la productivité primaire des écosystèmes terrestres et aquatiques Les nutriments limitants restreignent la productivité primaire des écosystèmes terrestres et aquatiques. De façon plus particulière, les écosystèmes aquatiques ont peu de nutriments parce que : 1. 1.la décomposition (qui restitue les minéraux à lécosystème) se fait au fond des plans deau alors que la photosynthèse se fait en surface, 2. 2.les zones aquatiques éloignées des littoraux reçoivent peu de poussières riches en fer et autres nutriments apportées par les vents venant des terres.

30 Leur analyse révèle que labondance des algues correspond à labondance du phosphore. Des fermes délevage de canards polluent les eaux côtières de Long Island (état de New York) par des composés phosphatés et azotés. Ces fermes sont concentrées près de Moriches Bay Moriches Bay Océan Atlantique Des expériences denrichissement en azote (N) prouvent que ce nutriment limite la croissance du phytoplancton au large des côtes Long Island Shinnecock Bay Great South Bay Phytoplancton Phosphore inorganique Moriches Bay Great South Bay Shinnecock Bay millions dorganismes / ml µ g/ L Numéros des échantillons deau Plusieurs échantillons deaux sont prélevés le long de la côte. Campbell (3 e éd.) Figure 54.6 : 1288

31 Expérience Les chercheurs ont préparé des cultures de lalgue verte Nannochloris atomus dans leau provenant des sites de collectes. Ils ont ajouté dans ces cultures : phosphore ou ammonium ou rien du tout (groupes témoins). Numéros des sites de collecte Densité initiale des algues Addition dammonium NH 4 + Addition de phosphate PO 4 3+ Groupes témoins Laddition de phosphore na pas eu deffet sur la croissance des algues mais celle dune source dazote a causé une explosion des populations dalgues en culture. Résultats La concentration dazote est faible dans la baie parce que le phytoplancton utilise cet azote sitôt quil est disponible. Cest donc un nutriment qui limite la croissance lorsquil devient «manquant». Conclusion À mon avis, les groupes témoins devraient être les «jaunes»

32 Des chercheurs ont répandu dans la mer des Sargasses, sur 72 km 2, des faibles concentrations de nutriments puis ils ont mesuré la variation de la densité des Cyanobactéries pendant une période de sept jours. Les enrichissements en fer ont provoqué la prolifération des Cyanobactéries. Les zones océaniques qui ont des courants ascendants (upwelling) remontée deaux profondes riches en nutriments vers la surface sont dune productivité exceptionnelle : océan Antarctique, eaux côtières au large du Pérou, de la Californie et de lAfrique de lOuest. Des expériences denrichissement en fer (Fe) prouvent que ce nutriment limite la croissance des Cyanobactéries en haute mer Nutriments ajoutés à une culture de laboratoire Absorption relative de 14 C par les cultures Aucun (témoins) N + P seulement N + P + métaux (excepté le fer) N + P + métaux (incluant le fer) N + P + fer 1,00 1,08 12,90 12,00 Campbell (3 e éd.) Tableau 54.1 : 1289

33 Des chercheurs ont isolé les deux bassins dun lac par une pellicule de plastique puis ont ajouté des nutriments : C et N pour lun et C, N et P pour lautre. Deux mois plus tard, le bassin enrichi de P était recouvert de cyanobactéries. Des expériences denrichissement en phosphore (P) prouvent que ce nutriment limite la croissance des Cyanobactéries dans les lacs Campbell (3 e éd.) Figure 54.7 : C + N + P + C + N Pellicule plastique Eutrophisation expérimentale d'un lac, 1974 N.-O. de l'Ontario, à environ 250 km à l'est de Winnipeg et à 50 km au sud-est de Kenora

34 Des chercheurs ont ajouté, dans diverses parcelles expérimentales, de lazote seulement, du phosphore seulement ou de lazote et du phosphore. La productivité a augmenté dans les parcelles enrichies avec au moins de lazote. Des expériences denrichissement en azote (N) prouvent que ce nutriment limite la croissance des plantes dans les marais salants Campbell (3 e éd.) Figure 54.9 : 1290 Biomasse aérienne vivante en g de masse sèche par m 2 Juin Juillet Août N + P N P Témoin Eutrophisation expérimentale dans un marais salant de la baie dHudson, 1980

35 Influence des saisons sur la productivité primaire des écosystèmes BELLE SAISON Facteurs abiotiques favorables = grande productivité primaire En pays nordique : productivité primaire plus grande en printemps et été En pays chaud : productivité primaire plus grande en saison des pluies SAISON DIFFICILE Facteurs abiotiques défavorables = productivité primaire faible voire nulle En pays nordique : productivité primaire faible en hiver En pays chaud : productivité primaire faible en saison sèche Dans les plaines du Serengeti Source

36 Campbell (3 e éd.) Figure 54.4 : 1286 OCÉANS Grande surface x Très faible productivité = Très grande contribution à la productivité totale de la Terre MARAIS ET MARÉCAGE Très petite surface x Très grande productivité = Très petite contribution à la productivité totale de la Terre % de la surface planétaire Milieux dulcicoles FORÊT TROPICALE HUMIDE 65% ,4% 3,3% % 0,4% ,3% E- Productivité de quelques écosystèmes à léchelle planétaire Milieux marins Milieux terrestres Productivité primaire nette moyenne (g/m 2 /an) % de la productivité primaire nette planétaire

37 8.La productivité secondaire concerne les consommateurs B-Le rendement de consommation (RC) du consommateur primaire. Une façon de vérifier sa performance ! Campbell (3 e éd.) Figure : 1291 Fèces, urine et mue Respiration cellulaire Croissance 200 J 100 J 67 J 33 J 100 J Assimilation RC de la chenille Productivité secondaire nette Assimilation de la productivité primaire A-La productivité secondaire nette correspond à laccumulation, par les hétérotrophes, de nouvelle matière organique servant à la croissance et à la reproduction. Elle correspond à lalimentation moins les pertes en énergie (ce qui nest pas mangé, ce qui nest pas assimilé, les coûts de la respiration cellulaire …) 33J = 0,33 = 33% 100 J

38 Grands mammifères RC de 3,1 % en moyenne Les carnivores ont un meilleur rendement que les herbivores car la viande est plus facile à digérer que lherbe. Oiseaux RC de 1,3 % en moyenne Dépensent beaucoup dénergie pour voler. Insectivores RC de 0,9 % en moyenne Contrôlent mal leur T o et doivent manger beaucoup. Groupe des endothermes Dépensent de lénergie pour maintenir leur température interne. Le rendement de consommation (RC) des groupes dorganismes varie beaucoup ! Groupe des ectothermes Ne dépensent pas dénergie pour maintenir leur température interne. Invertébrés herbivores « pas des insectes » (ex : une daphnie) RC de 21 % en moyenne Poissons et insectes sociaux RC de 10 % en moyenne Invertébrés carnivores « pas des insectes » (ex : un copépode) RC de 28 % en moyenne Invertébrés détrivores « pas des insectes » (ex : un lombric) RC de 36 % en moyenne Invertébrés détrivores « insectes non sociaux » (ex : une larve de Hanneton, un bousier…) RC de 47 % en moyenne

39 C-Le rendement écologique ou efficacité écologique (ÉÉ) correspond à la croissance et à la reproduction de tout un niveau trophique. Vaut 10 % en moyenne. Une façon de vérifier sa performance ! Productivité nette dun niveau trophique Productivité nette dun niveau trophique inférieur Producteurs (1) Herbivores (2) Carnivores primaires (3) J dénergie solaire x 1 % = 10 J 100 J J J Campbell (3 e éd.) Figure : 1291 ÉÉ du troisième niveau Niveau trophique Carnivores secondaires (4) 100 J = 0,10 = 10% J

40 Série de blocs empilés correspondant aux niveaux trophiques La taille de chaque bloc est proportionnelle à la productivité du niveau Son utilité : visualiser les pertes d'énergie d'un niveau à l'autre Types de pyramides écologiques : de masse, de nombre et dénergie Les producteurs, dans lécosystème aquatique du Canal de la Manche, ont une biomasse plus faible que celle des consommateurs parce quils sont rapidement dévorés. Cependant, ils se reproduisent si rapidement quils comblent les besoins énergétiques du niveau des consommateurs. D- Une pyramide écologique est un diagramme qui représente la productivité nette de chaque niveau trophique d'un écosystème. Campbell (3 e éd.) Figure : 1292 Tourbière de la Floride Zooplancton (CP) 4 Phytoplancton (P) Canal de la Manche 1,5 Consommateurs tertiaires (CT) 11 Consommateurs secondaires (CS) 37 Consommateurs primaires (CP) 809 Producteurs (P) Pyramides de masse (en g de masse sèche / m 2 )

41 Pyramide de nombre (en nombre d organismes) Pyramide dénergie (en joules) 3 Carnivores secondaires Carnivores primaires Herbivores Producteurs Champ du Michigan Campbell (3 e éd.) Figure : 1292 Campbell (3 e éd.) Figure : 1291 En général, le nombre dorganismes décroît avec les niveaux trophiques mais il peut croître si la masse des producteurs est très grande par rapport à celle des consommateurs : par exemple, un gros arbre dévoré par de nombreux petits insectes. Quel type dalimentation permet de nourrir le plus dhumains sur la terre ? Campbell (3 e éd.) Figure : J Carnivores secondaires 100 J Carnivores primaires J Herbivores J Producteurs

42 Partie 3 : La circulation de la matière dans lécosystème 9. 9.Les paramètres du flux de la matière dans lécosystème Les cycles biogéochimiques du carbone, de lazote et du phosphore La population humaine perturbe les cycles biogéochimiques de toute la biosphère

43 9. Les paramètres du flux de la matière dans lécosystème A-Le flux de matière est le mouvement des éléments au travers du réservoir biotique des organismes, sous forme de matière organique et des réservoirs abiotiques de lenvironnement sous forme de matière minérale. C-La matière circule alternativement entre les mondes biotique et abiotique doù lexpression cycle biogéochimique. B-La matière est le matériau de base avec lequel les formes vivantes et non vivantes se construisent. Il y a deux types de cycles biogéochimiques : Les cycles mondiaux ont une composante atmosphérique : carbone, azote, oxygène, eau, soufre… Les cycles locaux nont pas de composante atmosphérique : phosphore, potassium, calcium…

44 Molécules organiques dans la biomasse : glucose, protéines, lipides… Molécules gazeuses dans l'atmosphère (N 2, O 2, CO 2, anhydride sulfureux, oxydes d'azote...). Ions solubles dans l'hydrosphère : nitrites NO 2 -, nitrates NO 3 -, ammonium NH 4 +, bicarbonates HCO 3 -, sulfates SO 4 2-, phosphates PO 4 - … Sels cristallisés dans les sédiments : calcaire CaCO 3, dolomite CaMg(CO 3 ) 2 … E- Les éléments de la matière se combinent sous différents aspects : D-La terre contient un stock de matière en quantité «finie». Les éléments chimiques ont été créés au début des temps et il n'y a plus d'apparition de matière actuellement sur la Terre (mise à part les poussières cosmiques). La matière est donc « non renouvelable » contrairement à l'énergie. Atmosphère Hydrosphère Lithosphère BIOMASSE

45 La matière est injectée dans la chaîne alimentaire au niveau des racines des plantes mais aussi au niveau des feuilles. Sous forme de CO 2, dH 2 O, et déléments minéraux. Les molécules organiques quittent la phase organique sous forme : d'excréments, d'urine, de détritus végétaux et animaux et de cadavres. Utilisées par les détritivores (bactéries et mycètes), elles sont retransformées en matière minérale (décomposition). F-Une quantité considérable de matière minérale pénètre dans les écosystèmes par le biais des producteurs qui la transforme en matière organique. G-La matière organique circule des producteurs aux détritivores puis retourne dans les réservoirs abiotiques, sous forme minérale

46 PRODUCTEURS Algues, plantes, cyanobactéries et certaines bactéries CONSOMMATEURS Animaux, champignons, protistes à caractère animal et beaucoup de bactéries DÉTRIVORES Bactéries et mycètes Matière organique Réservoirs abiotiques TERRE AIR EAU Éléments minéraux Réservoir biotique H-L'étape-clé de la circulation de la matière est son recyclage après son passage dans la phase organique. Recyclage Décomposition des molécules organiques en molécules minérales. déchets radioactifs, plastiques non dégradables, pesticides de longue durée (PCB, DDT, dioxines…)dioxines Quarrive-t-il aux déchets non recyclables ? Urine, excréments, cadavres…

47 Si nos yeux pouvaient voir les atomes des organismes, on aurait l'impression de voir leurs organes « scintiller » à cause du renouvellement ininterrompu de la matière qui les constitue. Les structures des organismes se conservent pendant leur vie, mais leurs éléments de construction sont sans cesse renouvelés (enlevés et remplacés). Ce renouvellement dynamique se fait également dans les réservoirs abiotiques. I-Le renouvellement dynamique de la matière au travers du réservoir biotique et des réservoirs abiotiques de l'écosystème constitue son «turnover». La muqueuse du tube digestif se renouvelle à tous les sept jours et l'être humain, à tous les sept ans !

48 Là où il y a de loxygène, la respiration cellulaire décompose complètement les molécules en leurs éléments minéraux. J- La décomposition est complète dans les sols bien aérés mais incomplète dans les milieux peu ou non oxygénés comme les boues et les eaux stagnantes. Là où il ny a pas doxygène, la fermentation décompose partiellement les molécules en dautres encore relativement complexes. Les résidus incomplètement brûlés s'accumulent dans le milieu en lui conférant des odeurs comme au voisinage des marécages. La matière organique de ces sols très riches est peu à peu incorporée aux sédiments en formant l'humus, la tourbe, le charbon, le gaz naturel ou le pétrole. CO 2 et eau Lactate ou éthanol

49 K-Plus les conditions abiotiques sont favorables plus la décomposition est rapide. C'est pourquoi le sol des forêts tropicales contient peu d'humus car la matière organique y est rapidement dégradée et réinjectée dans la chaîne alimentaire. L-Les éléments minéraux quittant la phase organique peuvent être directement réinjectés dans la chaîne alimentaire (disponibles) ou s'incorporer aux sédiments. Ils ne sont alors plus disponibles aux producteurs mais peuvent le redevenir lorsqu'ils sont libérés par l'érosion des roches puis solubilisés dans l'eau de ruissellement. Campbell (3 e éd.) Figure : 1294 Matière organique non disponible comme nutriments : c harbon, pétrole, tourbe Matière minérale disponible comme nutriments : atmosphère, eau et sol Matière minérale non disponible comme nutriments : minéraux dans les roches Assimilation Photosynthèse Respiration Décomposition Excrétion Utilisation des combustibles fossiles Altération, érosion Formation de roches sédimentaires Matière organique disponible comme nutriments : o rganismes vivants, détritus

50 10.Les cycles biogéochimiques du carbone, de lazote et du phosphore Cycle du carbone 1. 1.Importance biologique Les atomes de carbone sont nécessaires à l'élaboration des chaînes carbonées qui structurent le vivant Forme utilisable par les organismes Les producteurs terrestres absorbent le carbone sous forme de CO 2 atmosphérique et les producteurs aquatiques l'absorbent sous forme d'ions bicarbonates HCO 3 - (aussi du CO 2 dissous et des ions carbonates CO 3 2- ) Principaux réservoirs Les roches calcaires et les combustibles fossiles sont les principaux réservoirs du carbone Entrée dans la partie biotique du cycle et, sortie Introduction. Par photosynthèse Perte. Par respiration cellulaire, par dépôt dans les roches calcaires et dans les matières partiellement décomposées.

51 CO 2 atmosphérique (réservoir mineur de carbone) Leau de pluie réagit avec le CO 2 de latmosphère en formant de lacide carbonique (H 2 CO 3 ), un acide faible. Ces pluies, légèrement acides, dissolvent les roches calcaires du continent en formant des ions calcium et bicarbonates transportés vers le compartiment aquatique par leau de ruissellement. Ca HCO 3- CaCO 3 + H 2 CO 3 Ions calcium Ions bicarbonates Calcaire (Carbonate de calcium) Acide carbonique (acide faible) Roches calcaires CaCO 3 Photosynthèse Le principal réservoir de carbone est le CO 2 de la lithosphère (roches calcaires et combustibles fossiles). CaCO 3 Le réservoir aquatique du carbone contient 50 fois plus de carbone que latmosphère. La plus grande part des ions calcium et bicarbonates est utilisée par les organismes marins pour sécréter leur squelette et ou leur coquille. À leur mort, ils sédimentent en roches calcaires. Une petite part dions calcium et bicarbonates précipite en roche calcaire au fond de locéan. (Le calcaire est insoluble.) Photosynthèse Producteurs Consommateurs Détritivores Respiration Remontée des roches par mouvements tectoniques Décomposition partielle Respiration (Végétaux Animaux Dans le sol) Décomposition totale Combustion pétrole/forêts Volcanisme Carbonates 10 % (Trioxocarbonates) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 + CaCO 3 Ca HCO 3- 2H + + 2CO 3 2- CO 2 1 % dissous Ions 84 % bicarbonates Ions calcium Calcaire Acide carbonique

52 Cycle de lazote 1. 1.Importance biologique Les atomes d'azote sont nécessaires à l'élaboration des protéines et des acides nucléiques Forme utilisable par les organismes Les producteurs absorbent l'azote sous forme d'ions ammonium NH 4 + (milieu acide) et de nitrates NO 3 - (milieu basique) Principal réservoir de lazote Le principal réservoir de lazote est latmosphère Entrée dans la partie biotique du cycle et, sortie Introduction. Par les bactéries fixatrices dazote des nodules des légumineuses et du sol, les cyanobactéries des lacs, les dépôts atmosphériques, la fixation par les orages électriques et les engrais. Recyclage local. La majeure partie de lazote de lécosystème provient de la circulation locale (décomposition des déchets organiques puis réintroduction au niveau des racines des producteurs). Perte. Lazote quitte lécosystème via la vaporisation, la dénitrification et le lessivage des sols vers les cours deau (contribue à leur eutrophisation ou enrichissement en éléments minéraux). Lazote, un élément nutritif limitant, fait partie des engrais.

53 FIXATION DE LAZOTE Conversion de N 2 atmosphérique en formes assimilables par lécosystème. En nitrates ( NO 3 - ) par les industries (engrais). En ammoniac ( NH 3 ) : Par les bactéries fixatrices dazote dans les nodosités des racines des légumineuses et du sol et par les cyanobactéries des écosystèmes aquatiques DÉPÔTS ATMOSPHÉRIQUES Fixation de lazote atmosphérique en nitrates ( NO 3 - ) et en ammonium ( NH 4 + ) (orages électriques, rayons UV du soleil et infrarouges du sol), puis, déposition dans les écosystèmes par dissolution dans les eaux de pluie et sédimentation de poussières. (5 à 10 % ) VAPORISATION Lammoniac est un gaz qui peut retourner dans latmosphère depuis les sols dont le pH est proche de 7. Ce NH 3 perdu par les sols peut alors devenir du NH 4 + dans latmosphère et retourner aux sols dans les précipitations. Volcanisme et combustion NH 4 + N 2 O NO 2 - N 2 NH 3 NO 3 - NO N 2 AMMONIFICATION (95%) Recyclage local des déchets organiques contenant de lazote en ammoniac et en ammonium. AMMONIAC Non assimilable par les végétaux. Capte un proton et devient de lammonium. AMMONIUM Absorbable directement par les plantes mais la majeure partie sert de source dénergie aux bactéries aérobies. NITRITES Les ions ammonium sont oxydés en nitrites. (Bactéries nitrifiantes) NITRATES Les nitrites sont oxydés en nitrates (Bactéries nitrifiantes) NITRIFICATION DÉNITRIFICATION NO 2 - NO N2ON2O N2N2 NH 3 (Bactéries dénitrifiantes) NH 4 + NO 2 - NO 3 - DÉNITRIFICATION Réduction des nitrates en azote par les bactéries anaérobies dans les boues sans oxygène. ASSIMILATION par les végétaux NH 4 + et NO 3 -

54 Cycle du phosphore 1. 1.Importance biologique Les organismes ont besoin de phosphore pour fabriquer leur matériel génétique, leur membranes cellulaires, leurs os et leurs dents Forme utilisable par les organismes Les producteurs absorbent le phosphore sous forme dions phosphates (PO 4 3- ) Principal réservoir Les roches sont le principal réservoir de phosphates Entrée dans la partie biotique du cycle et, sortie Introduction. Par érosion des roches contenant du phosphate. Recyclage local. La majeure partie du phosphore de lécosystème provient de la circulation locale (décomposition des déchets organiques puis réintroduction au niveau des racines des producteurs). Perte. Le phosphore quitte lécosystème via le lessivage des sols vers les cours deau (contribue à leur eutrophisation ou enrichissement en éléments minéraux) et via la sédimentation des phosphates dissous dans les cours deaux. Cycle local, pas de phase gazeuse ! Le phosphore, un élément nutritif limitant, fait partie des engrais.

55 ASSIMILATION des ions phosphates par les végétaux. Érosion des roches Ruissellement Phosphate dissous Précipitation du phosphate Sédimentation = Nouvelle roche Recyclage local Décomposition des déchets organiques contenant du phosphore par les détritivores en ions phosphates. Lesssivage du sol PO 4 3- Campbell (3 e éd.) Figure 54.17: 1296 Soulèvement géologique

56 A.La déforestation met les sols à nus : leurs minéraux sont alors «lessivés» par la pluie puis entraînés par le ruissellement vers les écosystèmes aquatiques en causant leur eutrophisation (enrichissement en minéraux) B.Lenrichissement en nutriments, des pelouses et des terres agricoles, finit par contaminer les écosystèmes aquatiques et y accélère leur eutrophisation C.Les précipitations acides acidifient les sols et détruisent les végétaux D.Des produits toxiques, peu concentrés dans lenvironnement, peuvent se concentrer fortement dans les organismes du fait de leur solubilité dans les graisses (bioaccumulation) E.La combustion des énergies fossiles libère du dioxyde de carbone et amplifie leffet de serre F.Le «trou» dans la couche dozone, en partie à cause de lutilisation des aérosols, laisse passer les dangereux rayons ultra-violets 11.La population humaine perturbe les cycles biogéochimiques de toute la biosphère

57 Expérience. Des chercheurs (1963…) ont étudié la forêt de Hubbard Brook au New Hampshire répartie sur six vallées, draînée chacune, par un ruisseau. Les études préliminaires ont montré que les pertes en minéraux étaient minimes et compensés par les apports naturels. Ils ont ensuite déboisé une vallée et, pendant trois ans, pulvérisé des herbicides pour empêcher la reprise de la végétation. Résultats. Pendant ces trois ans, le ruissellement a augmenté de 30 à 40% parce quil ny avait pas de plantes pour absorber leau du sol et lévaporer par transpiration. Les pertes en minéraux ont été énormes : 4 fois plus de de calcium, 15 fois plus de de potassium et 60 fois plus de nitrate. A.La déforestation met les sols à nus : leurs minéraux sont alors «lessivés» par la pluie puis entraînés par le ruissellement vers les écosystèmes aquatiques en causant leur eutrophisation (enrichissement en minéraux) Concentration de nitrate dans le ruisseau (mg/L) Fin du déboisement Bassin- versant témoin Bassin- versant déboisé pp et 1298 Campbell (3 e éd.) Figure 54.19: 1298

58 B.Lenrichissement en nutriments, des pelouses et des terres agricoles, finit par contaminer les écosystèmes aquatiques et y accélère leur eutrophisation L'eutrophisation est un processus naturel (en centaines ou milliers dannées) qui transforme lentement les lacs en marais, puis en prairie et finalement en forêt. Elle est causée par le ruissellement des territoires avoisinants qui entraîne des minéraux et dautres déchets organiques dans le lac. Lac vieux Peu profond à cause des sédiments accumulés ==> eau chaude Riche en nutriments Productif ==> eau trouble Eau peu oxygénée car beaucoup de décomposition Peu despèces, mort de plusieurs Lac jeune Profond car peu de sédiments accumulés ==> eau fraîche Pauvre en nutriments Peu productif ==> eau claire Eaux oxygénée car peu de décomposition Beaucoup despèces animales Lac oligotrophe Lac eutrophe pp et 1300

59 Leutrophisation est accélérée par le ruissellement des terres déboisées, les engrais des terres agricoles, le purin des élevages, les micropolluants des chaussées, les débordement des égouts, les phosphates des savons... Processus de leutrophisation Source Source Laccumulation de minéraux (nutriments) dans le lac le rend de plus en plus productif. Les algues et les plantes aquatiques prolifèrent. Ces organismes vont mourir tôt ou tard. Leurs cadavres devront être décomposés (au fond du lac) par les décomposeurs. Ceux-ci consomment de loxygène (respiration cellulaire). Lorsque léquilibre est rompu parce quil y a trop de nutriments dans le lac, les besoins en oxygène sont dépassés et les déchets organiques commencent à saccumuler. Le lac se comble graduellement. SourceSource

60 C.Les précipitations acides acidifient les sols et détruisent les végétaux La combustion du bois, du charbon et dautres combustibles fossiles libère des oxydes de soufre et des oxydes dazote qui réagissent avec leau de latmosphère pour donner respectivement de lacide sulfurique et de lacide nitrique. Les écosystèmes qui ont un faible pouvoir tampon sont vulnérables. Cest le cas de la plupart des lacs du Québec car ils contiennent, en général, peu de carbonates dans leurs sols. Source pp à 1302

61 D.Des produits toxiques, peu concentrés dans lenvironnement, peuvent se concentrer fortement dans les organismes du fait de leur solubilité dans les graisses (bioaccumulation) pp et 1303 Beaucoup de produits nocifs libérés dans lenvironnement sont absorbés par les organismes via leau, la nourriture et lair. Une part de ces produits est métabolisée puis excrétée. Une autre part sinsère dans les tissus adipeux lorsque la substance est liposoluble. Elle y demeurera fort longtemps et, avec le temps, sy concentrera de plus en plus étant donné que lorganisme continue de salimenter, boire et respirer tant quil nest pas mort. Les substances toxiques se concentrent dans des zones spécifiques : écorce, bois, coquille, corne, cheveux, ongles, graisses du cerveau… Bioaccumulation Capacité des organismes à absorber et concentrer dans tout ou une partie de leur organisme certaines substances éventuellement rares dans l'environnement utiles, indispensables ou toxiques.

62 Bioaccumulation du BPC biphényles polychlorés chez les goélands argentés des Grands Lacs Campbell (3 e éd.) Figure 54.25: 1303 Effets très graves, voire mortels selon la dose (gouv.ca)gouv.ca Éperlan 1,04 ppm Œufs 124 ppm Zooplancton 0,123 ppm Touladi 4,83 ppm Phytoplancton 0,025 ppm Bioaccumulation de mercure chez la Panthère de Floride Saccumule dans le système nerveux Cause la maladie de Minamata. Cause la maladie de Minamata. Source

63 E.La combustion des énergies fossiles libère du dioxyde de carbone et amplifie leffet de serre Effet normal et nécessaire. Sans leffet de serre, la température moyenne de l'air à la surface terrestre serait environ de -18 °C. Effet de serre. La chaleur radiante de la Terre (des infrarouges) se trouve emprisonnée sous une sorte de dôme invisible constitué de vapeur deau (nuages), de dioxyde de carbone CO 2 et de méthane CH 4. Campbell (3 e éd.) Figure : 1304 Les émissions de CO 2 et de méthane CH 4 accentuent l'effet de serre et contribuent au réchauffement du climat. pp à Température CO 2 CO 2 (mg/L) 1,05 0,90 0,75 0,60 0,45 0,30 0, ,15 - 0,30 - 0,45 T 0 C

64 F.Le «trou» dans la couche dozone, en partie à cause de lutilisation des aérosols, laisse passer les dangereux rayons ultra-violets La couche dozone (O 3 ) En haute altitude : 17 à 25 km de la terre. Formée par laction du soleil sur le dioxygène. Filtre les rayonnements U.V. tout en laissant passer la lumière et la chaleur. Le chlore venant des CFC (chlorofluorocarbures utilisés dans les appareils réfrigérants et les aérosols) détruit lozone (O 3 ). Il refait plusieurs fois le cycle. Comme le froid favorise la réaction, la destruction de lozone est particulièrement élevée au- dessus de lAntarctique. Campbell (3 e éd.) Figure : 1306 pp et 1306 O2O2 Cl O Cl 2 O 2 O2O2 Cl Rayonnement solaire ClO3O3

65 L'écosystème présente un état d'équilibre (homéostasie) et est capable de se régulariser Léquilibre dans les écosystèmes assure un maximum de biodiversité L'ingérence humaine dans les écosystèmes crée de profonds déséquilibres Partie 4 : La régulation et les déséquilibres dans lécosystème

66 La circulation entre les grands réservoirs est harmonieuse : le flux des matériaux s'écoule sans engorgements ni pénuries. Une variation trop brusque dans un sens est aussitôt compensée par la modification dune autre variable. 13.L'écosystème présente un état d'équilibre (homéostasie) et est capable de se régulariser Exemples Si la population d'un type de consommateur s'accroît trop vite, la nourriture manque et des individus meurent de faim ce qui rétablit la population à un niveau optimum. La composition chimique des grands réservoirs de l'atmosphère et des océans se maintient dans des limites étroites grâce, entre autres, aux carbonates des océans qui piègent le CO 2 de l'atmosphère. Certaines réactions de réajustements de l'équilibre sont très rapides et d'autres, extraordinairement lentes. Par exemple, le phosphore traverse le cycle organique en 10 minutes dans un lac l'été et en 10 heures dans un même lac l'hiver ; il fait un séjour d'environ 200 ans dans la phase sédimentaire.

67 14.Léquilibre dans les écosystèmes assure un maximum de biodiversité. Campbell (3 e éd.) Figure 55.2 : 1312 Les 3 composantes de la biodiversité Une diversité spécifique. Variété des espèces ou richesse spécifique et abondance de chaque espèce. Une diversité génétique Une diversité dans les communautés et les écosystèmes dune région entière.

68 15.L'ingérence humaine dans les écosystèmes crée de profonds déséquilibres. A.La destruction et la parcellisation des habitats (agriculture, foresterie, mines, croissance urbaine… ) provoquent la disparition de nombreuses espèces. La plus grande menace pour la biodiversité. Campbell (3 e éd.) Figure 55.5 : 1315 B. B.Une espèce exotique qui sintroduit dans un écosystème vient modifier la structure trophique de cet écosystème en compétitionnant exagérément avec les espèces indigènes. En effet, au début, elles nont pas de prédateurs, de parasites ou dagents pathogènes capables de les contrôler. Mount Hood Forest aux É.-U. Campbell (3 e éd.) Figure 55.5 : 1315 Le serpent brun arboricole introduit par des cargos dans lîle de Guam a éliminé 12 espèces doiseaux et six espèces de lézards.

69 Le kudzu, une plante japonaise, a été introduit par le gouvernement des É.-U. afin de lutter contre lérosion. Cette plante a envahi une bonne partie de la Caroline du Sud. La moule zébrée a été introduite par accident dans les Grands Lacs en 1988 (probablement par leau de lestage de navires en provenance dEurope). Elle cause des ravages écologiques et économiques importants. Campbell (3 e éd.) Figure 55.5 : 1315 Source

70 C.La surexploitation Exploitation par les humains de plantes ou danimaux sauvages à un rythme qui dépasse la capacité de reproduction de lespèce. D.La perturbation des chaînes alimentaires. On pense que lextermination des oiseaux géants quétaient les moas par les humains a amené lextinction de son prédateur, laigle géant des forêts de Nouvelle-Zélande (vers 1400 apr. J.-C.). La disparition dune espèce ou son amoindrissement par la surexploitation humaine peut conduire à la disparition dautres espèces qui sen nourrissaient. Le Moa Campbell (3 e éd.) Figure 55.8 : 1317 Thon rouge de lAtlantique Nord vendu sur un marché japonnais

71 FIN Chapitre 54 : Révision du chapitre : pp et 1308 Retour sur les concepts du chapitre : 54.1, 54.2, 54.3, 54.4 (2) et 55.5 Autoévaluations du chapitre : 1 à 10 Chapitre 55 : Révision du chapitre : p (concept 55.1) Autoévaluations du chapitre : 1 et 2


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