Évolution et Diversité du Vivant

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1 Évolution et Diversité du Vivant
(101-NYA-05) Chapitres 53, 54 et 55 Campbell, 3 e édition Cours 14 L’ÉCOSYSTÈME SA STRUCTURE TROPHIQUE SON FLUX D’ÉNERGIE SON FLUX DE MATIÈRE SA RÉGULATION ET SES DÉSÉQUILIBRES Bernadette Féry Automne 2008 Source

2 Partie 1 : La structure trophique de l’écosystème
Niveaux trophiques de l’écosystème Chaîne alimentaire Structure trophique de l’écosystème Les producteurs des chaînes alimentaires

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

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

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

6 Complète les niveaux trophiques !
Quel type d’organismes manque-t-il pour que ces chaînes soient complètes ? Campbell (3eéd.) — Figure : 1264

7 3. Structure trophique de l’écosystème
Une communauté de l'Antarctique 4, 5, 6 et 7 Humains Un réseau trophique est constitué de multiples chaînes alimentaires reliées les unes aux autres de diverses façons. 4, 5 et 6 Petits cétacés à dents 3 Cétacés à fanons 4, 5 et 6 Cachalot 4 et 5 Éléphant de mer 4 et 5 Léopard de mer (phoque) 3 Phoques crabiers = structure trophique = réseau trophique = réseau alimentaire 3 Poisson 3 et 4 Oiseau 3 et 4 Calmar Sur ce schéma, tous les no 3 (carnivores de 1e ordre) se nourrissent de l’étage no 2 (herbivores). 3 Zooplancton carnivore 2 Zooplancton herbivore (copépode) 2 et 3 (krill) 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). 1 Phytoplancton Campbell (3eéd.) — Figure : 1264

8 Type de chaîne alimentaire
4. Les producteurs des chaînes alimentaires Milieu Source d’énergie Type de chaîne alimentaire Producteurs Terrestre Énergie lumineuse Chaîne photosynthétique Végétaux Aquatique Cyanobactéries, algues microscopiques du plancton, grandes algues et végétaux aquatiques Abyssal Énergie tirée de l’oxydation du H2S (sulfure d’hydrogène) et du CH4 (méthane) Chaîne chimiosynthétique Bactéries hébergées par les vers tubicoles des cheminées chaudes et par les moules des suintements froids

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

10 Partie 2 : La circulation de l’énergie dans l’écosystème
Les paramètres du flux d’énergie dans l’écosystème Les causes des pertes d’énergie de l’écosystème L’allocation énergétique de la Terre correspond au rayonnement solaire qui réussit à se frayer un chemin jusqu’au sol La productivité primaire concerne les producteurs La productivité secondaire concerne les consommateurs

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

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

13 Spirogyre est éclairée par une lumière décomposée par un prisme.
D- L’énergie lumineuse qui alimente les écosystèmes est le bleu violet et le rouge (captée par la chlorophylle des chloroplastes). Comme le vert n’est pas capté (donc réfléchi), les végétaux paraissent verts. Campbell (3e éd.) — Figure 10.1 : 193 L’expérience d’Engelman prouve que la photosynthèse est maximum dans le bleu violet et le rouge 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. Une algue «Spirogyre» Bactéries nm Campbell (3e éd.) — Figure 10.9 : 200

14 1 000 000 J d’énergie solaire x 1 % =
E- L'énergie circule des producteurs aux détrivores. Le flux de l’énergie est unidirectionnel. F- Environ 1 % de l'énergie lumineuse pénètre dans les écosystèmes et y maintient les niveaux trophiques. Consommateurs tertiaires Consommateurs secondaires Consommateurs primaires Producteurs J Campbell (3e éd.) — Figure : 1291 J d’énergie solaire x 1 % =

15 1 000 000 J d’énergie solaire x 1 % =
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. 10 J d’énergie accumulée dans les carnivores secondaires 100 J d’énergie accumulée dans les carnivores primaires 1 000 J d’énergie accumulée dans les herbivores J d’énergie accumulée dans les producteurs x 10 % = J J d’énergie solaire x 1 % =

16 H- Toute l'énergie qui entre dans l’écosystème finit par se perdre en chaleur. Cette énergie perdue «dans l’espace» n’est pas recyclable. I- L'énergie perdue est continuellement renouvelée car le soleil continue d'éclairer la Terre. L’énergie est renouvelable. J- La quantité d’énergie qui entre dans un écosystème détermine le nombre maximal de niveaux trophiques qu’il 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 d’énergie de l’écosystème
A- Ce qui est mangé Seule, une fraction de la proie végétale ou animale est effectivement prélevée et dévorée par le niveau supérieur. Source Source Grande sauterelle verte

18 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 La respiration cellulaire ne récupère qu’environ 40% de l’énergie enmagasinée dans les liens chimiques du glucose.

19 Explications sur l’efficacité relative de la respiration cellulaire
La dégradation du glucose par respiration cellulaire libère l’énergie des liens chimiques ainsi que les atomes constitutifs. Des 100% d’énergie potentielle contenue dans les liens du glucose, 40% seulement est transféré à de l’ATP et, 60% est perdu en chaleur. Cette chaleur perdue est tout de même utile car elle contribue à maintenir la température corporelle des organismes. Équation générale de la respiration cellulaire 60% Glucose O2  6 CO H2O Énergie Chaleur 40% L’ATP est la réserve d’énergie qui permet la plupart du travail cellulaire. Une fois le travail cellulaire effectué, l’énergie de l’ATP se dissipe en chaleur. + 36 ATP Adénosine triphosphate 36 ADP + 36 Pi Adénosine diphosphate

20 Démonstration de la perte de 60 % de l’énergie du glucose lors de la respiration cellulaire
LIRE L'énergie potentielle d'une molécule de glucose est d’environ kJ par mole de glucose. La respiration cellulaire produit 36 ATP (eucaryotes) ou 38 ATP (procaryotes) à partir d'une mole de glucose. Dans la cellule, la phosphorylation de l’ADP (en ATP) emprisonne 30,5 kJ/mol. Le rendement de la respiration cellulaire chez les cellules eucaryotes est de : [ 36 ATP x 30,5 kJ/mol ] x 100 = ± 40 % 2 870 kJ/ mol Références : Campbell (3e éd.) : p. 72 et p. 174

21 + +  + + D- L’efficacité relative du transfert de l’énergie de l’ATP.
Une part de l'énergie de l'ATP n'est pas récupérée lors d'une réaction chimique et se perd en chaleur. Campbell (3e éd.)— Figure 8.10 : 157  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 E- L’énergie dépensée pour maintenir la vie 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…).

22 Activité de reproduction Coccinelles
Bonobos Recherche de nourriture Activité de toilettage

23 6. L’allocation énergétique de la Terre correspond au rayonnement solaire qui réussit à se frayer un chemin jusqu’au sol De façon générale, plus le rayonnement solaire est intense plus l'écosystème dispose d'énergie pour sa photosynthèse. L’intensité du rayonnement solaire dépend de l’angle d’incidence des rayons lumineux qui frappent le sol. Cet angle varie avec la latitude, la saison et l’heure de la journée. Lorsque l’angle d’incidence 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 : Angle élevé la lumière doit traverser davantage de couches atmosphériques de sorte qu’une 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 lorsqu’ils arrivent au sol Angle faible Angle élevé Campbell (3e éd.) — Figure : 1182

24 La Terre reçoit chaque jour environ 1022 joules (1J = 0,239 cal) d’énergie 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 l’air au-dessus des différentes régions. La majeure partie du rayonnement solaire qui atteint la Terre tombe sur des terrains dénudés et des étendues d’eau qui absorbent ou réfléchissent l’énergie. Une petite quantité atteint les plantes, les Algues et les Procaryotes photosynthétiques. Seule une fraction de cette petite partie a une longueur d’onde appropriée à la photosynthèse (le rouge et le bleu). Les producteurs convertissent environ 1% de l’énergie 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 s’accumule pas en biomasse végétale. La moitié environ est métabolisée au cours de la respiration cellulaire de la plante elle même. B- La productivité primaire nette (PPN) correspond à la croissance végétale annuelle — exprimée en quantité d'énergie (J / m2/ an) ou en quantité de matière sèche (g / m2/ 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 l’ensemble de la biosphère est d’environ 170 milliards de tonnes (en poids sec) de matière organique. Arms, p. 1017 Respiration Un chloroplaste

26 C- Ne pas confondre productivité primaire nette et biomasse mesurable !
PPN = ajout de nouvelle biomasse chaque année. Biomasse mesurable = accumulation de la productivité primaire nette au fil des ans. PPN BIOMASSE 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.

27 D- La productivité primaire dépend, de façon générale, de la qualité des facteurs abiotiques.
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. L’eau et la température influencent fortement la productivité primaire des écosystèmes terrestres Dans les écosystèmes aquatiques l’eau, abondante, et la température, peu variable, ont peu d’influence sur la productivité primaire. En revanche dans les écosystèmes terrestres la rareté de l’eau et les températures extrêmes ont une grande influence sur la productivité primaire. Photo © Jean-Jacques Cordier (Galerie photo l'Internaute)

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

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

30 Des expériences d’enrichissement en azote (N) prouvent que ce nutriment limite la croissance du phytoplancton au large des côtes Long Island 30 15 19 21 Des fermes d’élevage 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. Numéros des échantillons d’eau 11 4 5 2 Shinnecock Bay Moriches Bay Océan Atlantique Great South Bay Plusieurs échantillons d’eaux sont prélevés le long de la côte . Phytoplancton 8 7 6 5 4 3 2 1 millions d’organismes / ml Leur analyse révèle que l’abondance des algues correspond à l’abondance du phosphore. Phosphore inorganique µ g/ L Great South Bay Moriches Bay Shinnecock Bay Campbell (3e éd.) — Figure 54.6 : 1288

31 Expérience Les chercheurs ont préparé des cultures de l’algue verte Nannochloris atomus dans l’eau provenant des sites de collectes. Ils ont ajouté dans ces cultures : phosphore ou ammonium ou rien du tout (groupes témoins). Résultats L’addition de phosphore n’a pas eu d’effet sur la croissance des algues mais celle d’une source d’azote a causé une explosion des populations d’algues en culture. Addition d’ammonium NH4+ Addition de phosphate PO43+ Groupes témoins Conclusion La concentration d’azote est faible dans la baie parce que le phytoplancton utilise cet azote sitôt qu’il est disponible. C’est donc un nutriment qui limite la croissance lorsqu’il devient «manquant». À mon avis, les groupes témoins devraient être les «jaunes» Densité initiale des algues Numéros des sites de collecte

32 Des expériences d’enrichissement en fer (Fe) prouvent que ce nutriment limite la croissance des Cyanobactéries en haute mer Des chercheurs ont répandu dans la mer des Sargasses, sur 72 km2, 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. Nutriments ajoutés à une culture de laboratoire Absorption relative de 14C par les cultures Aucun (témoins) N + P seulement N + P + métaux (excepté le fer) (incluant le fer) N + P + fer 1,00 1,08 12,90 12,00 Campbell (3e éd.) — Tableau 54.1 : 1289 Les zones océaniques qui ont des courants ascendants (upwelling) — remontée d’eaux profondes riches en nutriments vers la surface — sont d’une productivité exceptionnelle : océan Antarctique, eaux côtières au large du Pérou, de la Californie et de l’Afrique de l’Ouest.

33 Des expériences d’enrichissement en phosphore (P) prouvent que ce nutriment limite la croissance des Cyanobactéries dans les lacs Des chercheurs ont isolé les deux bassins d’un lac par une pellicule de plastique puis ont ajouté des nutriments : C et N pour l’un et C, N et P pour l’autre. Deux mois plus tard, le bassin enrichi de P était recouvert de cyanobactéries. + C + N + P Pellicule plastique + C + N 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 Campbell (3e éd.) — Figure 54.7 : 1289

34 Des expériences d’enrichissement en azote (N) prouvent que ce nutriment limite la croissance des plantes dans les marais salants Des chercheurs ont ajouté, dans diverses parcelles expérimentales, de l’azote seulement, du phosphore seulement ou de l’azote et du phosphore. La productivité a augmenté dans les parcelles enrichies avec au moins de l’azote. 300 250 200 150 100 50 N + P N en g de masse sèche par m2 Biomasse aérienne vivante P Témoin Juin Juillet Août Eutrophisation expérimentale dans un marais salant de la baie d’Hudson, 1980 Campbell (3e éd.) — Figure 54.9 : 1290

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 Source

36 E- Productivité de quelques écosystèmes à l’échelle planétaire
65% ,4% OCÉANS Grande surface x Très faible productivité = Très grande contribution à la productivité totale de la Terre 3,3% % FORÊT TROPICALE HUMIDE MARAIS ET MARÉCAGE Très petite surface x Très grande productivité = Très petite contribution à la productivité totale de la Terre 0,4% ,3% Productivité primaire nette moyenne (g/m2/an) % de la productivité primaire nette planétaire % de la surface planétaire Campbell (3e éd.) — Figure 54.4 : 1286 Milieux marins Milieux terrestres Milieux dulcicoles

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

38 Groupe des endothermes
Le rendement de consommation (RC) des groupes d’organismes varie beaucoup ! Groupe des endothermes Dépensent de l’énergie pour maintenir leur température interne. 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 l’herbe. Insectivores RC de 0,9 % en moyenne Contrôlent mal leur To et doivent manger beaucoup. Oiseaux RC de 1,3 % en moyenne Dépensent beaucoup d’énergie pour voler. Groupe des ectothermes Ne dépensent pas d’énergie pour maintenir leur température interne. Poissons et insectes sociaux RC de 10 % en moyenne Invertébrés herbivores « pas des insectes » (ex : une daphnie) RC de 21 % 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 Productivité nette d’un niveau trophique
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 d’un niveau trophique Productivité nette d’un niveau trophique inférieur Niveau trophique Carnivores secondaires (4) 10 J 100 J 1 000 J J ÉÉ du troisième niveau Carnivores primaires (3) 100 J = 0,10 = 10% 1 000 J Herbivores (2) Producteurs (1) Campbell (3e éd.) — Figure : 1291 J d’énergie solaire x 1 % =

40 D- Une pyramide écologique est un diagramme qui représente la productivité nette de chaque niveau trophique d'un écosystème. 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 d’énergie Pyramides de masse (en g de masse sèche / m2) Campbell (3e éd.) — Figure : 1292 1, Consommateurs tertiaires (CT) Consommateurs secondaires (CS) Consommateurs primaires (CP) Producteurs (P) Canal de la Manche  Zooplancton (CP) 4  Phytoplancton (P) Tourbière de la Floride Les producteurs, dans l’écosystème aquatique du Canal de la Manche, ont une biomasse plus faible que celle des consommateurs parce qu’ils sont rapidement dévorés. Cependant, ils se reproduisent si rapidement qu’ils comblent les besoins énergétiques du niveau des consommateurs.

41 Pyramide de nombre (en nombre d ’organismes)
En général, le nombre d’organismes 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. Champ du Michigan 3  Carnivores secondaires  Carnivores primaires  Herbivores  Producteurs Campbell (3e éd.) — Figure : 1292 Pyramide d’énergie (en joules) 10 J  Carnivores secondaires 100 J  Carnivores primaires 1 000 J  Herbivores J  Producteurs Quel type d’alimentation permet de nourrir le plus d’humains sur la terre ? Campbell (3e éd.) — Figure : 1291 Campbell (3e éd.) — Figure : 1293

42 Partie 3 : La circulation de la matière dans l’écosystème
Les paramètres du flux de la matière dans l’écosystème Les cycles biogéochimiques du carbone, de l’azote et du phosphore La population humaine perturbe les cycles biogéochimiques de toute la biosphère

43 9. Les paramètres du flux de la matière dans l’écosystème
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 l’environnement sous forme de matière minérale. B- La matière est le matériau de base avec lequel les formes vivantes et non vivantes se construisent. C- La matière circule alternativement entre les mondes biotique et abiotique d’où l’expression cycle biogéochimique. Il y a deux types de cycles biogéochimiques : Les cycles mondiaux ont une composante atmosphérique : carbone, azote, oxygène, eau, soufre… Les cycles locaux n’ont pas de composante atmosphérique : phosphore, potassium, calcium…

44 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. E- Les éléments de la matière se combinent sous différents aspects : Molécules organiques dans la biomasse : glucose, protéines, lipides… Molécules gazeuses dans l'atmosphère (N2, O2, CO2, anhydride sulfureux, oxydes d'azote...). Ions solubles dans l'hydrosphère : nitrites NO2-, nitrates NO3-, ammonium NH4+, bicarbonates HCO3-, sulfates SO42-, phosphates PO4- … Sels cristallisés dans les sédiments : calcaire CaCO3, dolomite CaMg(CO3)2 … Atmosphère Hydrosphère Lithosphère BIOMASSE

45 F- Une quantité considérable de matière minérale pénètre dans les écosystèmes par le biais des producteurs qui la transforme en matière organique. La matière est injectée dans la chaîne alimentaire au niveau des racines des plantes mais aussi au niveau des feuilles. Sous forme de CO2, d’H2O, et d’éléments minéraux. G- La matière organique circule des producteurs aux détritivores puis retourne dans les réservoirs abiotiques, sous forme minérale 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).

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

47 I- Le renouvellement dynamique de la matière au travers du réservoir biotique et des réservoirs abiotiques de l'écosystème constitue son «turnover». 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. La muqueuse du tube digestif se renouvelle à tous les sept jours et l'être humain, à tous les sept ans !

48 CO2 et eau Lactate ou éthanol
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 y a de l’oxygène, la respiration cellulaire décompose complètement les molécules en leurs éléments minéraux. CO2 et eau Là où il n’y a pas d’oxygène, la fermentation décompose partiellement les molécules en d’autres encore relativement complexes. Lactate ou éthanol 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.

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. Matière organique disponible comme nutriments : organismes vivants, détritus Matière organique non disponible comme nutriments : charbon, pétrole, tourbe Assimilation Photosynthèse Respiration Décomposition Excrétion Utilisation des combustibles fossiles Matière minérale non disponible comme nutriments : minéraux dans les roches Matière minérale disponible comme nutriments : atmosphère, eau et sol Altération, érosion Formation de roches sédimentaires Campbell (3e éd.) — Figure : 1294

50 10. Les cycles biogéochimiques du carbone, de l’azote et du phosphore
Cycle du carbone 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 CO2 atmosphérique et les producteurs aquatiques l'absorbent sous forme d'ions bicarbonates HCO3- (aussi du CO2 dissous et des ions carbonates CO32-). 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 CO2 atmosphérique (réservoir mineur de carbone)
L’eau de pluie réagit avec le CO2 de l’atmosphère en formant de l’acide carbonique (H2CO3), 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 l’eau de ruissellement. Photosynthèse Respiration (Végétaux Animaux Dans le sol) Roches calcaires CaCO3 Ca HCO3-  CaCO H2CO3 Ions calcium Ions bicarbonates Calcaire (Carbonate de calcium) Acide carbonique (acide faible) Décomposition totale Combustion pétrole/forêts Volcanisme Carbonates 10 % (Trioxocarbonates) CO2 + H2O  H2CO3 + CaCO3Ca HCO 3- 2H+ + 2CO3 2- CO2 1 % dissous Ions 84 % bicarbonates Ions calcium Calcaire Acide carbonique Remontée des roches par mouvements tectoniques Le principal réservoir de carbone est le CO2 de la lithosphère (roches calcaires et combustibles fossiles). Photosynthèse Respiration Producteurs Consommateurs Détritivores Le réservoir aquatique du carbone contient 50 fois plus de carbone que l’atmosphère. Décomposition partielle CaCO3 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 d’ions calcium et bicarbonates précipite en roche calcaire au fond de l’océan. (Le calcaire est insoluble.)

52 Cycle de l’azote 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 NH4+ (milieu acide) et de nitrates NO3- (milieu basique). Principal réservoir de l’azote Le principal réservoir de l’azote est l’atmosphère. Entrée dans la partie biotique du cycle et, sortie Introduction. Par les bactéries fixatrices d’azote 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 l’azote de l’écosystème provient de la circulation locale (décomposition des déchets organiques puis réintroduction au niveau des racines des producteurs). Perte. L’azote quitte l’écosystème via la vaporisation, la dénitrification et le lessivage des sols vers les cours d’eau (contribue à leur eutrophisation ou enrichissement en éléments minéraux). L’azote, un élément nutritif limitant, fait partie des engrais.

53 NH4+ N2O NO2- N2 NH3 NO3- NO N2 NH3 N2 NH4+ N2O NO2- NO2- NO NO3-
DÉPÔTS ATMOSPHÉRIQUES Fixation de l’azote atmosphérique en nitrates (NO3-) et en ammonium (NH4+) (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 % ) FIXATION DE L’AZOTE Conversion de N2 atmosphérique en formes assimilables par l’écosystème. VAPORISATION L’ammoniac est un gaz qui peut retourner dans l’atmosphère depuis les sols dont le pH est proche de 7 . Ce NH3 perdu par les sols peut alors devenir du NH4+ dans l’atmosphère et retourner aux sols dans les précipitations. Volcanisme et combustion En nitrates (NO3-) par les industries (engrais). DÉNITRIFICATION Réduction des nitrates en azote par les bactéries anaérobies dans les boues sans oxygène. En ammoniac (NH3) : Par les bactéries fixatrices d’azote dans les nodosités des racines des légumineuses et du sol et par les cyanobactéries des écosystèmes aquatiques NH3 AMMONIAC Non assimilable par les végétaux. Capte un proton et devient de l’ammonium. N2 NH4+ AMMONIUM Absorbable directement par les plantes mais la majeure partie sert de source d’énergie aux bactéries aérobies. AMMONIFICATION (95%) Recyclage local des déchets organiques contenant de l’azote en ammoniac et en ammonium. N2O NITRIFICATION NO2- NITRITES Les ions ammonium sont oxydés en nitrites. (Bactéries nitrifiantes) ASSIMILATION par les végétaux NH4+ et NO3- DÉNITRIFICATION NO2- NO NO3- NITRATES Les nitrites sont oxydés en nitrates (Bactéries nitrifiantes) (Bactéries dénitrifiantes)

54 Cycle du phosphore Cycle local, pas de phase gazeuse !
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 d’ions phosphates (PO43-). 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 l’écosystème provient de la circulation locale (décomposition des déchets organiques puis réintroduction au niveau des racines des producteurs). Perte. Le phosphore quitte l’écosystème via le lessivage des sols vers les cours d’eau (contribue à leur eutrophisation ou enrichissement en éléments minéraux) et via la sédimentation des phosphates dissous dans les cours d’eaux. Le phosphore, un élément nutritif limitant, fait partie des engrais.

55 ASSIMILATION Érosion des roches PO4 3- PO4 3- Phosphate dissous
des ions phosphates par les végétaux. Soulèvement géologique Érosion des roches PO4 3- Ruissellement Phosphate dissous PO4 3- Lesssivage du sol Recyclage local Décomposition des déchets organiques contenant du phosphore par les détritivores en ions phosphates. Précipitation du phosphate Sédimentation = Nouvelle roche Campbell (3e éd.) — Figure 54.17: 1296

56 11. La population humaine perturbe les cycles biogéochimiques de toute la biosphère
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) L’enrichissement en nutriments, des pelouses et des terres agricoles, finit par contaminer les écosystèmes aquatiques et y accélère leur eutrophisation Les précipitations acides acidifient les sols et détruisent les végétaux Des produits toxiques, peu concentrés dans l’environnement, peuvent se concentrer fortement dans les organismes du fait de leur solubilité dans les graisses (bioaccumulation) La combustion des énergies fossiles libère du dioxyde de carbone et amplifie l’effet de serre Le «trou» dans la couche d’ozone, en partie à cause de l’utilisation des aérosols, laisse passer les dangereux rayons ultra-violets

57 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) pp et 1298 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 qu’il n’y avait pas de plantes pour absorber l’eau du sol et l’évaporer 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. Bassin- versant déboisé Concentration de nitrate dans le ruisseau (mg/L) Fin du déboisement Bassin- versant témoin Campbell (3e éd.) — Figure 54.19: 1298

58 Lac oligotrophe Lac eutrophe
B. L’enrichissement en nutriments, des pelouses et des terres agricoles, finit par contaminer les écosystèmes aquatiques et y accélère leur eutrophisation pp et 1300 L'eutrophisation est un processus naturel (en centaines ou milliers d’années) 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 d’autres déchets organiques dans le lac. Lac oligotrophe Lac eutrophe Lac jeune Profond car peu de sédiments accumulés ==> eau fraîche Pauvre en nutriments Peu productif ==> eau claire Eaux oxygénée car peu de décomposition Beaucoup d’espèces animales 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 d’espèces, mort de plusieurs

59 Processus de l’eutrophisation
L’accumulation 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 l’oxygène (respiration cellulaire). Lorsque l’équilibre est rompu parce qu’il y a trop de nutriments dans le lac, les besoins en oxygène sont dépassés et les déchets organiques commencent à s’accumuler. Le lac se comble graduellement. Source L’eutrophisation 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...

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

61 D. Des produits toxiques, peu concentrés dans l’environnement, 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 l’environnement sont absorbés par les organismes via l’eau, la nourriture et l’air. Une part de ces produits est métabolisée puis excrétée. Une autre part s’insère dans les tissus adipeux lorsque la substance est liposoluble. Elle y demeurera fort longtemps et, avec le temps, s’y concentrera de plus en plus étant donné que l’organisme continue de s’alimenter, boire et respirer tant qu’il n’est 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 de mercure chez la Panthère de Floride
Bioaccumulation du BPC — biphényles polychlorés — chez les goélands argentés des Grands Lacs S’accumule dans le système nerveux Cause la maladie de Minamata. Effets très graves, voire mortels selon la dose (gouv.ca) Œufs 124 ppm Touladi 4,83 ppm Éperlan 1,04 ppm Zooplancton 0,123 ppm Phytoplancton 0,025 ppm Source Campbell (3e éd.) — Figure 54.25: 1303

63 E. La combustion des énergies fossiles libère du dioxyde de carbone et amplifie l’effet de serre
pp à 1305 Effet de serre. La chaleur radiante de la Terre (des infrarouges) se trouve emprisonnée sous une sorte de dôme invisible constitué de vapeur d’eau (nuages), de dioxyde de carbone CO2 et de méthane CH4. CO2 (mg/L) T0C 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 1,05 0,90 0,75 0,60 0,45 0,30 0,15 -0,15 -0,30 -0,45 Température Effet normal et nécessaire. Sans l’effet de serre, la température moyenne de l'air à la surface terrestre serait environ de -18 °C. CO2 Les émissions de CO2 et de méthane CH4 accentuent l'effet de serre et contribuent au réchauffement du climat. Campbell (3e éd.) — Figure : 1304

64 En haute altitude : 17 à 25 km de la terre.
F. Le «trou» dans la couche d’ozone, en partie à cause de l’utilisation des aérosols, laisse passer les dangereux rayons ultra-violets pp et 1306 La couche d’ozone (O3) En haute altitude : 17 à 25 km de la terre. Formée par l’action du soleil sur le dioxygène. Filtre les rayonnements U.V. tout en laissant passer la lumière et la chaleur. O2 Cl O Cl2O2 Cl Le chlore venant des CFC (chlorofluorocarbures utilisés dans les appareils réfrigérants et les aérosols) détruit l’ozone (O3). Il refait plusieurs fois le cycle. Comme le froid favorise la réaction, la destruction de l’ozone est particulièrement élevée au-dessus de l’Antarctique. Cl O3 Rayonnement solaire Campbell (3e éd.) — Figure : 1306

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

66 13. L'écosystème présente un état d'équilibre (homéostasie) et est capable de se régulariser
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 d’une autre variable. 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 CO2 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 Les 3 composantes de la biodiversité
14. L’équilibre dans les écosystèmes assure un maximum de biodiversité. Les 3 composantes de la biodiversité Une diversité génétique Une diversité spécifique. Variété des espèces ou richesse spécifique et abondance de chaque espèce. Une diversité dans les communautés et les écosystèmes d’une région entière. Campbell (3e éd.) — Figure 55.2 : 1312

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. Mount Hood Forest aux É.-U. Campbell (3e éd.) — Figure 55.5 : 1315 Une espèce exotique qui s’introduit dans un écosystème vient modifier la structure trophique de cet écosystème en compétitionnant exagérément avec les espèces indigènes. En effet, au début, elles n’ont pas de prédateurs, de parasites ou d’agents pathogènes capables de les contrôler. Le serpent brun arboricole introduit par des cargos dans l’île de Guam a éliminé 12 espèces d’oiseaux et six espèces de lézards. Campbell (3e éd.) — Figure 55.5 : 1315

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

70 D. La perturbation des chaînes alimentaires.
C. La surexploitation Exploitation par les humains de plantes ou d’animaux sauvages à un rythme qui dépasse la capacité de reproduction de l’espèce . Thon rouge de l’Atlantique Nord vendu sur un marché japonnais Campbell (3e éd.) — Figure 55.8 : 1317 D. La perturbation des chaînes alimentaires. La disparition d’une espèce ou son amoindrissement par la surexploitation humaine peut conduire à la disparition d’autres espèces qui s’en nourrissaient. Le Moa On pense que l’extermination des oiseaux géants qu’étaient les moas par les humains a amené l’extinction de son prédateur, l’aigle géant des forêts de Nouvelle-Zélande (vers 1400 apr. J.-C.).

71 FIN Chapitre 54 : Révision du chapitre : pp. 1307 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