Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Chapitres 53, 54 et 55 Campbell, 3 e édition Cours 14 LES ÉCOSYSTÈMES Partie 1 : La structure trophique de l’écosystème (Chapitre 53) Bernadette Féry Automne 2007 Campbell (3eéd.) — Figure 54.1 : 1283

Structure trophique de l’écosystème Définition Ensemble des relations alimentaires qui existent entre les organismes de l’écosystème = réseau trophique = réseau alimentaire Réseau alimentaire marin

4 niveaux trophiques, en général, dans un réseau alimentaire CARNIVORE DE 2e ORDRE (Serpent)) Consommateurs tertiaires Quatrième niveau trophique CARNIVORE DE 1 ier ORDRE (Souris) Consommateurs secondaires Troisième niveau trophique Parfois, un cinquième niveau trophique s’ajoute : les consommateurs quaternaires Consommateurs primaires Deuxième niveau trophique HERBIVORE (Sauterelle) Premier niveau trophique PRODUCTEURS (Plante) Producteurs Chaque niveau trophique représente un étage alimentaire Éléments minéraux Mycètes DÉTRIVORES Bactéries Lombric

Tous les organismes qui obtiennent leur énergie à partir du même étage alimentaire font partie du même niveau trophique. Réseau marin de l’Antarctique 4, 5 et 6 Humains 4, 5 et 6 Ainsi, sur ce schéma, tous les no 3 (carnivores de 1ier ordre) se nourrissent de l’étage no 2 (herbivores). 3 4 et 5 Petits cétacés à dents Cétacés à fanons Cachalot 3 4 et 5 4 et 5 Si un organisme se nourrit à plusieurs étages alimentaires, il fait partie de plusieurs niveaux trophiques. Phoques crabiers Léopard de mer Éléphant de mer 3 et 4 3 3 et 4 Les éléphants de mer font partie du niveau (4) car ils mangent du poisson de niveau (3) et du niveau (5) car ils mangent des calmars de niveau (4). Poisson Calmar Oiseau 3 Zooplancton carnivore Les omnivores (les mangeurs de viande et de plantes) et les détrivores (les mangeurs de détritus organiques non représentés ici) appartiennent à tous les niveaux trophiques car ils se nourrissent de divers étages alimentaires. 2 2 et 3 Zooplancton herbivore (copépode) Euphausiacés (krill) 1 Phytoplancton Campbell : 1291 (2eéd.) — Figure 53.11

2. Chaîne alimentaire Une chaîne alimentaire de la forêt boréale Le loup mange le lièvre. Un réseau trophique est en réalité constitué de multiples chaînes alimentaires reliées les unes aux autres de diverses façons. Le lièvre mange le feuillage du sapin baumier. Chaîne alimentaire Transfert « en ligne droite » de la matière et de l’énergie d’un niveau trophique à l’autre dans le réseau trophique. Ensemble des êtres vivants qui se nourrissent «directement» les uns des autres. Les plantes puisent les éléments minéraux restitués par les détrivores afin de mener leur photosynthèse. Transformation des débris en éléments minéraux Déchets organiques : excréments, urines, cadavres, détritus… Détrivores

Type de chaîne alimentaire 3. Les producteurs des chaînes alimentaires Milieu Source d’énergie Type de chaîne alimentaire Producteurs Terrestre Énergie lumineuse Chaîne photosynthétique Végétaux Aquatique Cyanobactéries, petites algues du plancton, grandes algues, 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

Des producteurs ! Les végétaux terrestres Source Les végétaux aquatiques Les grandes algues (règne des protistes) Des lentilles d’eau Des laminaires

Encore des producteurs ! Les algues microscopiques du phytoplancton ou plancton végétal (règne des protistes) Algues dorées (90% du phytoplancton) Algues vertes Spirogyre Chlorella Volvox (3) espèces de Diatomés (3) espèces de Desmidiés

Toujours des producteurs ! Les cyanobactéries «algues bleu vert» du plancton végétal (sont minuscules par rapport aux algues vertes du plancton car ce sont des procaryotes) Agmenellum Anabaena Les algues bleues et leurs toxines Nostoc Rivularia Photo Bactéries hébergées par les vers tubicoles et par des moules : au fond des océans, là où il fait très noir. Moules Vers tubicoles Source

La circulation de l’énergie dans l’écosystème (Chapitre 54) LES ÉCOSYSTÈMES Partie 2 : La circulation de l’énergie dans l’écosystème (Chapitre 54) Source

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

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 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

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 10.7 : 198 L’expérience d’Engelman prouve que la photosynthèse est maximum dans le bleu et le rouge Spirogyre (une algue verte) est éclairé par une lumière décomposée par un prisme. La croissance des bactéries est maximum autour des zones bleues et rouges. Campbell (3e éd.) — Figure 10.9 : 200

1 000 000 J d’énergie solaire x 1 % = L'énergie circule des producteurs aux détrivores. Le flux de l’énergie est unidirectionnel. Environ 1 % de l'énergie lumineuse pénètre dans les écosystèmes et y maintient les niveaux trophiques. 10 000 J Campbell (3e éd.) — Figure 54.11 : 1291 1 000 000 J d’énergie solaire x 1 % =

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. 100 J x 10 % = 10 J 1 000 J x 10 % = 100 J 10 000 J x 10 % = 1000 J Campbell (3e éd.) — Figure 54.11 : 1291

Toute l'énergie qui entre dans l’écosystème finit par se perdre en chaleur. Cette énergie perdue n’est pas recyclable. CHALEUR PERDUE VERS L’ESPACE L'énergie perdue est continuellement renouvelée car le soleil continue d'éclairer la Terre. L’énergie est renouvelable.

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. Source Chaque chaîne alimentaire correspond à un seul circuit au sein du flux énergétique.

5. Les causes des pertes d’énergie de l’écosystème Ce qui est mangé Seule, une fraction de la proie végétale ou animale est effectivement prélevée et dévorée par le niveau supérieur. Source Source Source

Source Glucose 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. Source L'efficacité relative de la respiration cellulaire, le processus qui permet de dégrader nos aliments et d’en récupérer l’énergie La respiration cellulaire ne récupère qu’environ 40% de l’énergie du glucose. Glucose

Explications sur l’efficacité relative de la respiration cellulaire Les aliments assimilés finissent par se retrouver dans les cellules, sous forme de glucose qui sera dégradé par respiration cellulaire, un processus métabolique. Sa dégradation libère l’énergie emmagasinée dans les liaisons chimiques ainsi que les atomes constitutifs. Des 100% d’énergie potentielle contenue dans les liens du glucose, 40% est transféré à de l’ATP et 60% est perdu en chaleur qui contribue à maintenir la température corporelle des organismes. Équation générale de la respiration cellulaire + 6O2 6 CO2 + 6 H2O + Énergie 40% + L’ATP est la réserve d’énergie qui permet la plupart du travail cellulaire. Après le travail cellulaire, l’énergie de l’ATP se dissipe aussi en chaleur. 60% 36 ATP Adénosine triphosphate 36 ADP + 36 Pi Adénosine diphosphate Chaleur

Démonstration de la perte de 60 % de l’énergie du glucose lors de la respiration cellulaire Pas à l’examen L'énergie potentielle d'une molécule de glucose est d’environ 2 870 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

L’énergie dépensée pour maintenir la vie 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 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…).

Activité de reproduction Bonobos Coccinelles Activité de toilettage Recherche de nourriture

6. L’allocation énergétique de la Terre (rayonnement solaire) et sa productivité totale Plus le rayonnement solaire est intense, plus la photosynthèse est grande et plus l'écosystème dispose d'énergie. Source L’intensité du rayonnement solaire dépend de l’angle d’incidence des rayons lumineux qui frappent le sol. Grand angle d’incidence de la lumière = peu de lumière et de chaleur au sol Angle d’incidence de la lumière nul ou faible = beaucoup de lumière et de chaleur au sol Source

L’angle d’incidence de la lumière dépend de la latitude, de la saison et de l’heure de la journée. L’angle d’incidence augmente aux hautes latitudes Angle nul Angle élevé Les tropiques reçoivent plus de lumière et de chaleur car les rayons lumineux arrivent perpendiculairement au sol (les rayons sont concentrés). À l'inverse, plus on s'approche des pôles, plus l'angle d'incidence est grand et moins les écosystèmes disposent d'énergie. Campbell (3e éd.) — Figure 50.10 : 1182 L’angle d’incidence augmente le matin et le soir La lumière qui parvient au sol sur le coup du midi a un angle d’incidence plus faible. Il fait chaud et clair. L’inverse est vrai : le matin et le soir, l’angle d’incidence est plus grand. Il fait plus froid et moins clair. Lorsque le soleil est bas sur l'horizon, sa lumière doit traverser davantage de couches atmosphériques et une part plus grande de son énergie sera absorbée ou reflétée avant d'atteindre le sol. Ceci contribue au fait qu’il y a moins d’énergie lumineuse et de chaleur qui parvient au sol.

La productivité totale de la terre est de 170 milliards de tonnes de matière organique par année Chaque jour la Terre reçoit environ 1022 joules / jour (1J = 0,239 cal) via les rayons lumineux. La plus grande part de ces rayons lumineux est absorbée ou réfléchie par l'atmosphère. Parmi les rayons qui parviennent aux chloroplastes, seuls les rouges et les bleus sont absorbés . Malgré tout, 1% de lumière visible captée annuellement par les chloroplastes se fait convertir en énergie chimique pour un total de 170 milliards de tonnes de matière organique.

7. La productivité primaire concerne les producteurs La productivité primaire brute (PPB) est la production des premières molécules organiques par les producteurs. Résultat de la photosynthèse. Issu du 1% d’énergie lumineuse assimilé par les chloroplastes.

La productivité primaire nette (PPN) est la croissance végétale annuelle ; exprimée en quantité d'énergie (J/ m2/ an) ou de matière (g de masse sèche/ m2/ an). Accumulation de biomasse par les producteurs. Photosynthèse (PPB) moins les pertes en énergie par respiration cellulaire (R) . 50% à 90% de la PPB. 170 milliards de tonnes de matière organique /an. PERTE D’ÉNERGIE

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.

La productivité primaire dépend, de façon générale, de la qualité des facteurs abiotiques. L’eau et la température influencent fortement la productivité primaire des écosystèmes terrestres 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. 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)

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 50.16 : 1187

Les nutriments limitants — N— Fe — P — influencent fortement la productivité primaire des écosystèmes terrestres et aquatiques Nutriments limitants. Nutriments dont les producteurs ont besoin mais souvent présents en faible quantité. Tant dans les écosystèmes terrestres qu’aquatiques, les nutriments limitants restreignent la productivité primaire. 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.

Des expériences d’enrichissement en nutriments ont confirmé que l’azote (N) limite la croissance du phytoplancton au large des côtes Situation initiale. Des fermes d’élevage de canards polluent les eaux côtières de Long Island (dans l’état de New York) par des composés phosphatés et azotés. Ces fermes sont concentrées près de Moriches Bay. Long Island Moriches Bay Shinnecock Bay 30 21 5 4 19 15 11 2 Great South Bay Océan Atlantique Les numéros indiquent les endroits où des échantillons d’eaux sont prélevés. Phytoplancton (en millions d’organismes / ml L’analyse des échantillons d’eau prélevés sur la côte révèle que l’abondance des algues correspond à l’abondance du phosphore. Phosphore inorganique (en µ g/ L) 4 5 11 30 15 19 21 Great South Bay Moriches Bay Shinnecock Bay

Expérience. Les chercheurs ont préparé des cultures de l’algue verte Nannochloris atomus dans de l’eau provenant des sites de collectes de Long Island. Ils ont ajouté dans ces cultures : du phosphore, de l’ammonium ou rien du tout (groupes témoin). 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. Densité initiale des algues On en déduit que la concentration d’azote est faible dans la baie parce que le phytoplancton utilise cet azote sitôt qu’il est disponible car ils en ont un grand besoin. C’est donc un nutriment qui limite la croissance lorsqu’il devient «manquant». Numéros des sites de collecte Groupes témoins (aucune addition) Addition de phosphate PO43+ Addition d’ammonium NH4+ Campbell (3e éd.) — Figure 54.6 : 1288

Des expériences d’enrichissement en nutriments ont confirmé que le fer (Fe) limite la croissance des Cyanobactéries en haute mer Expérience 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. Ce sont les enrichissements en fer qui ont provoqué la prolifération des Cyanobactéries. Campbell (3e éd.) — Tableau 54.1 : 1289 Remontée d'eau Les zones océaniques qui ont des courants ascendants (upwelling) — remontée d’eaux profondes riches en nutriments vers la surface — sont d’une productivité exceptionnelle.

Des expériences d’enrichissement en nutriments ont confirmé que le phosphore (P) limite la croissance des Cyanobactéries dans les lacs Expérience Des chercheurs (1974) 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 Pellicule plastique + C + N + P Eutrophisation expérimentale d'un lac (En Alberta) Campbell (3e éd.) — Figure 54.7 : 1289

Des expériences d’enrichissement en nutriments ont confirmé que l’azote (N) limite la croissance des plantes dans les marais salants Biomasse aérienne vivante en g de masse sèche par m2 Expérience Des chercheurs (été 1980) ont ajouté, dans divers parcelles expérimentales d’un marais salant de la baie d’Hudson, de l’azote et, ou, du phosphore. Comme la productivité a augmenté dans les parcelles enrichies avec, au moins, de l’azote, c’est l’azote qui est le nutriment limitant. 300 250 200 150 100 50 N + P N P Juin Juillet Août Témoin Campbell (3e éd.) — Figure 54.9 : 1290

Influence des saisons sur la productivité primaire des écosystèmes BELLE SAISON Facteurs abiotiques favorables = grande productivité primaire SAISON «DIFFICILE » Facteurs abiotiques défavorables = productivité primaire faible voire nulle En pays nordique la productivité primaire est plus grande au printemps et en été Source Source

En pays chaud la productivité primaire est plus grande en saison des pluies Dans les plaines du Serengeti Source Source Source

Productivité de quelques écosystèmes à l’échelle planétaire OCÉANS Grande surface x Très faible productivité = Très grande contribution à la productivité totale de la Terre 65% 125 24,4% 3,3% 2 200 22% FORÊT TROPICALE HUMIDE 0,4% 2 000 2,3% MARAIS ET MARÉCAGE Très petite surface x Très grande productivité = Très petite contribution à la productivité totale de la Terre % de la surface planétaire Productivité primaire nette moyenne (g/m2/an) % de la productivité primaire nette planétaire Milieux marins Milieux terrestres Milieux dulcicoles Campbell (3e éd.) — Figure 54.4 : 1286

8. La productivité secondaire concerne les consommateurs La productivité secondaire nette (PSN) est la croissance animale annuelle. Accumulation de biomasse par les consommateurs Correspond à la croissance et à la reproduction Alimentation - pertes en énergie (mangé, assimilé, efficacité de la respiration cellulaire …)

Le rendement énergétique à l’échelle du consommateur (rendement de consommation) est la fraction de l’énergie assimilée par un organisme et mise en réserve dans sa biomasse. Rendement de consommation de la chenille 200 J Productivité secondaire nette Énergie assimilée 100 J Assimilation 67 J 100 J 33J = 0,33 = 33% 100 J 33 J Perte d’énergie par respiration cellulaire Perte d’énergie par fèces, urine et mue Croissance. Nouvelle biomasse de la chenille Campbell (3e éd.) — Figure 54.10 : 1291

Le rendement de consommation des groupes d’organismes varie beaucoup ! Rendement de consommation = RC Groupe des endothermes Dépensent de l’énergie pour maintenir leur température interne. 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. 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. Groupe des ecthothermes 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

Le rendement écologique à l’échelle de l’écosystème (efficacité écologique) est la fraction de l’énergie assimilée par un niveau trophique et mise en réserve dans sa biomasse. Efficacité écologique = ÉÉ Rapport entre la productivité nette d'un niveau trophique donné et la productivité nette du niveau trophique inférieur. Correspond à la croissance et à la reproduction de l’ensemble du niveau trophique. 10 % en moyenne. Campbell (3e éd.) — Figure 54.11 : 1291 1 2 3 4 Efficacité écologique du 3e niveau trophique 100 J de = 0,10 = 10% 1 000 J de sauterelles

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, d’énergie et de nombre Observez. La biomasse des producteurs est plus faible que celle des consommateurs mais elle se renouvelle si rapidement qu’elle répond aux besoins de ceux-ci.

Une application de la notion de productivité. Campbell (3e éd.) — Figure 54.14 : 1293 D’après ces schémas, quel type d’alimentation permet de nourrir le plus d’humains sur la terre ?

La circulation de la matière dans l’écosystème (Chapitre 54) LES ÉCOSYSTÈMES Partie 3 : La circulation de la matière dans l’écosystème (Chapitre 54) Source

9. Les paramètres du flux de la matière dans l’écosystème Le flux de matière est le mouvement des éléments au travers des divers organismes et des réservoirs de l’environnement. Matière organique Matière minérale Réservoir biotique Réservoir abiotique (Non-vivant) (Vivant)

La matière circule alternativement entre les mondes abiotique et biotique d’où l’expression cycle biogéochimique. Il y a deux types de cycles biogéochimiques : Cycles mondiaux. Ont une composante atmosphérique : carbone, azote, oxygène, eau, soufre… Cycles locaux. N’ont pas de composante atmosphérique : phosphore, potassium, calcium… La matière est le matériau de base avec lequel les formes vivantes et non vivantes se construisent. La matière est là !

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. La matière est donc « non renouvelable » contrairement à l'énergie. Les éléments de la matière se combinent sous différents aspects : Molécules gazeuses dans l'atmosphère (N2, O2, CO2, anhydride sulfureux, oxydes d'azote...). Molécules organiques dans la biomasse : glucose, protéines, lipides… 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 …

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. Les molécules organiques quittent la phase organique sous forme : d'excréments, d'urine, de détritus végétaux et animaux et de cadavres. Utilisées par les détrivores (bactéries et mycètes), elles sont retransformées en matière minérale (décomposition). La matière organique circule des producteurs aux détrivores puis retourne dans les réservoirs abiotiques, sous forme minérale, grâce aux détrivores.

Décomposition des molécules organiques en molécules minérales. 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. Réservoir biotique Matière organique Qu’arrive-t-il aux déchets non recyclables ? Déchets radioactifs Plastiques non dégradables Pesticides de longue durée (PCB, DDT… Dioxines… Réservoirs abiotiques PRODUCTEURS (Les algues, les plantes, les cyanobactéries et certaines autres bactéries) Terre Air Eau CONSOMMATEURS (Les animaux, les champignons, les protistes à caractère animal et beaucoup de bactéries ) Éléments minéraux DÉTRIVORES (Les bactéries et les mycètes)

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). Ainsi, la muqueuse du tube digestif se renouvelle à tous les sept jours et l'être humain, à tous les sept ans. Ce renouvellement dynamique se fait également dans les réservoirs abiotiques.

La décomposition est complète dans les sols bien aérés. Grâce à la respiration cellulaire Décompose complètement les molécules en leurs éléments minéraux. 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP + 6O2 Dioxygène gazeux Dioxyde de carbone Eau Glucose

La décomposition est incomplète dans les milieux peu ou non oxygénés comme les boues et l’eau stagnante. Grâce à la fermentation Décompose les molécules organiques en molécules organiques encore relativement complexes (décomposition partielle). 2 Lactate ou 2 Éthanol + 2 ATP Fermentation lactique Fermentation alcoolique Glucose Les résidus incomplètement brûlés s'accumulent dans le milieu en lui conférant une odeur particulière comme au voisinage des marécages. La matière organique de ces sols très riches est peu à peu incorporée aux sédiments ; c'est l'origine de l'humus, de la tourbe, du charbon, du gaz naturel et du pétrole.

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.

Les éléments minéraux qui quittent la phase organique peuvent être directement réinjectés dans la chaîne alimentaire ou s'incorporer aux sédiments. Les éléments minéraux réinjectés dans la chaîne alimentaire au niveau des racines et des feuilles la requitteront à nouveau dans l'urine (azote), les excréments (soufre et phosphore), l’expiration, les cadavres… Consommateurs Producteurs Décomposeurs Nutriments disponibles pour les producteurs Les minéraux incorporés aux sédiments ne sont pas disponibles aux producteurs mais peuvent le devenir lorsqu'ils sont libérés par l'érosion des roches puis solubilisés dans l'eau de ruissellement. Réservoir abiotique Processus géologiques Campbell (3e éd.) — Figure 54.18 : 1298

10. Les cycles biogéochimiques Le cycle biogéochimique du carbone. Les atomes de carbone sont nécessaires à l'élaboration des chaînes carbonées qui structurent le vivant. Les roches calcaires et les combustibles fossiles sont le principal réservoir de carbone. Les producteurs terrestres absorbent le carbone sous forme de CO2 atmosphérique et les producteurs aquatiques l'absorbent sous forme d'ions bicarbonates HCO3- (mais aussi un peu de CO2 dissous et d’ions carbonates CO32-). L'océan exerce un effet tampon sur le CO2 atmosphérique via la précipitation du calcaire et la formation des coquilles des organismes. La combustion des combustibles fossiles libère du carbone, dans l'atmosphère, plus rapidement que la capacité de l'océan à le piéger. La concentration de CO2 atmosphérique qui s'élève augmente l'effet de serre et contribue au réchauffement de la planète.

La photosynthèse et la respiration assurent la circulation du carbone entre le réservoir biotique et l’atmosphère.

Le cycle biogéochimique de l’azote Le cycle biogéochimique de l’azote. Les atomes d'azote sont nécessaires à l'élaboration des protéines et des acides nucléiques. L’atmosphère est le principal réservoir de l’azote. Les producteurs absorbent l'azote sous forme d'ions ammonium NH4+ (en pH plus acide) et sous forme de nitrates NO3- (en pH plus basique). 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). L'azote, un élément nutritif limité dans les sols et les lacs, fait partie des engrais. Une partie de l'azote des écosystèmes terrestres est perdue par lessivage des sols vers les cours d’eau et contribue à leur eutrophisation (leur enrichissement en éléments minéraux).

Les dépôts atmosphériques et la fixation de l’azote font entrer l’azote dans le réservoir biotique alors que la vaporisation et la dénitrification l’en font quitter.

Le cycle biogéochimique du phosphore Le cycle biogéochimique du phosphore. Les organismes ont besoin de phosphore pour fabriquer leur matériel génétique, leur membranes cellulaires, leurs os et leurs dents. Les roches sont le principal réservoir de phosphates. Le cycle du phosphore ne comporte pas de phase gazeuse. Les producteurs absorbent le phosphore sous forme d’ions phosphates (PO43-). 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). Le phosphore, un élément nutritif limité dans les sols et les lacs, fait partie des engrais. Une partie du phosphate des écosystèmes terrestres est perdue par lessivage des sols vers les cours d’eau et contribue à leur eutrophisation (leur enrichissement en éléments minéraux).

L’érosion des roches contenant du phosphate fait entrer le phosphate dans le monde biotique alors que la sédimentation des phosphates dissous l’en font ressortir. Campbell (3e éd.) — Figure 54.17: 1296

11. La population humaine perturbe les cycles biogéochimiques de toute la biosphère La déforestation détruit les sols et entraîne le «lessivage» des minéraux qu’ils contiennent vers les écosystèmes aquatiques tout en rendant ceux-ci impropres à la consommation 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 Plusieurs toxines dans l’environnement s’accumulent dans les tissus des organismes de la chaîne alimentaire : 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

a) La déforestation qui détruit les sols en entraînant le «lessivage» des minéraux qu’ils contiennent vers les écosystèmes aquatiques tout en rendant ceux-ci impropres à la consommation pp. 1295 et 1298 Expérience Des chercheurs (1963 à …) ont étudié la forêt de Hubbard Brook au New Hampshire répartie sur six vallées, chacune draînée par un ruisseau. Les études préliminaires ont montré que les pertes en minéraux essentiels 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. Pendant ces trois années, le ruissellement augmenta 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 furent énormes : 4 fois plus de perte de calcium, 15 fois plus de perte de potassium et 60 fois plus de perte de nitrate. Campbell (3e éd.) — Figure 54.19: 1298

b) L’enrichissement en nutriments, des pelouses et des terres agricoles, finit par contaminer les écosystèmes aquatiques et y accélère leur eutrophisation pp. 1299 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

Source 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. Comme ces organismes vont mourir tôt ou tard, leurs cadavres devront être décomposés (au fond du lac) par les décomposeurs de l’écosystème. 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

Tout sur les Cyanobactéries et leurs toxines L’eutrophisation est accélérée par les activités humaines : ruissellement des terres déboisées, engrais des terres agricoles, purin des élevages, micropolluants des chaussées, débordement des égoûts, phosphates des savons... Entraîne la perte prématurée des plans d’eau et de leurs activités associées en plus d’entraîner la disparition d’espèces comme la truite. Source Tout sur les Cyanobactéries et leurs toxines

c) Les précipitations acides acidifient les sols et détruisent les végétaux pp. 1300 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

La présence de toxines dans l’environnement peut engendrer de la bioaccumulation de produits toxiques pp. 1302 et 1303 L’humain produit des milliers de substances qui n’ont jamais existé à l’état naturel. Certaines de ces substances ne se décomposent pas facilement et peuvent même être absorbées par les organismes en même temps que l’eau et leur nourriture. La contamination par le mercure est à l'origine d'une gamme étendue de symptômes dans les organismes et ses effets sont particulièrement ressentis dans les reins et les systèmes neurologiques. Site du gouvernement du Canada Bioaccumulation de méthyl mercure dans la chaîne alimentaire

Effet normal et nécessaire. e) La combustion des énergies fossiles libère du dioxyde de carbone et amplifie l’effet de serre pp. 1303 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. Dôme de nuages et de gaz Atmosphère Effet normal et nécessaire. Sans l’effet de serre, la température moyenne de l'air à la surface terrestre serait environ de -18 °C. Les émissions de CO2 et de méthane CH4 accentuent l'effet de serre et contribuent au réchauffement du climat. Campbell (3e éd.) — Figure 54.26 : 1304

En haute altitude : 17à 25 km de la terre. Le «trou» dans la couche d’ozone, en partie à cause de l’utilisation des aérosols, laisse passer les dangereux rayons ultra-violets pp. 1305 et 1306 La couche d’ozone (O3) En haute altitude : 17à 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. La destruction de l’ozone résulte principalement de l’accumulation de chlorofluorocarbures (CFC) utilisés dans les appareils réfrigérants et les aérosols. Le chlore de ces substances interagit avec l’ozone en le transformant en dioxygène. Comme le froid favorise cette réaction, la destruction de l’ozone est particulièrement élevée au-dessus de l’Antarctique. Campbell (3e éd.) — Figure 54.29 : 1306

Régulation et déséquilibres dans l’écosystème (Chapitre 55) LES ÉCOSYSTÈMES Partie 4 : Régulation et déséquilibres dans l’écosystème (Chapitre 55) Source

12. 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.

Les 3 composantes de la biodiversité 13. 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 commu- nautés et les écosystèmes d’une région entière. Campbell (3e éd.) — Figure 55.2 : 1312

La plus grande menace pour la biodiversité. 14. L'ingérence humaine dans les écosystèmes crée de profonds déséquilibres. a) La destruction et la parcellisation des habitats provoquent la disparition de nombreuses espèces. Une forêt du Wisconsin La plus grande menace pour la biodiversité. À cause de l’agriculture, de la foresterie, des mines, de la pollution mais aussi de la croissance urbaine. 1831 1882 1902 1950 Campbell (2e éd.) — Figure 55.6 : 1345

b) L'introduction d'espèces exotiques modifie la structure trophique des écosystèmes locaux en compétitionnant avec les espèces indigènes. Qu'elles soient animales ou végétales, les espèces introduites se développent dans des habitats dans lesquels elles ne devraient normalement pas exister, déplaçant les espèces natives par prédation, par concurrence, maladie et hybridation. L’étourneau sansonnet a chassé de nombreux oiseaux chanteurs d’Amérique du Nord. http://www.aves.be/journalistes/ La moule zébrée introduite par accident en Amérique cause des ravages écologiques et économiques. http://simulium.bio.uottawa.ca/bio2525/cours/Mollusques.htm

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 : ail des bois… 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. 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.). Le Moa

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. 1332 (concept 55.1) Autoévaluations du chapitre : 1 et 2