Flux d'énergie : calculer les pertes et les rendements, exercices corrigés

L'énergie captée par les plantes passe d'un niveau trophique au suivant, mais à chaque étape la plus grande partie est perdue en chaleur ou laissée aux décomposeurs ; avec quelques calculs simples, tu peux mesurer ces pertes et comprendre pourquoi les chaînes alimentaires sont courtes.

Objectifs

Construire une chaîne et un réseau trophiques et attribuer un niveau trophique à chaque être vivant.
Faire le bilan énergétique d'un consommateur : énergie ingérée, assimilée, rejetée, utilisée pour respirer, mise en réserve.
Calculer un rendement de transfert entre deux niveaux trophiques.
Expliquer la forme d'une pyramide des énergies et le rôle des producteurs, des consommateurs et des décomposeurs.
Appliquer ces calculs à une étude de cas : nourrir des personnes avec du maïs ou avec des poulets nourris au maïs.

Notions clés

1. Chaînes, réseaux et niveaux trophiques

Une chaîne trophique est une suite d'êtres vivants où chacun mange le précédent. La flèche se lit « est mangé par » : elle indique le sens de passage de la matière et de l'énergie.
Le niveau trophique est la place occupée dans la chaîne : producteurs (plantes chlorophylliennes, niveau 1), consommateurs primaires (herbivores, niveau 2), consommateurs secondaires (niveau 3), et ainsi de suite.
Dans un écosystème, les chaînes s'entrecroisent et forment un réseau trophique. Un omnivore, comme la poule qui mange des graines et des criquets, occupe plusieurs niveaux.
Les décomposeurs (bactéries, champignons, et des animaux comme les vers de terre ou les bousiers) se nourrissent des cadavres, des feuilles mortes et des excréments de tous les niveaux.

flowchart LR
  H[Herbe] --> Cr[Criquet]
  G[Graines] --> S[Souris]
  G --> P[Poule]
  Cr --> P
  Cr --> M[Margouillat]
  M --> Se[Serpent]
  S --> Se
  Se --> R[Rapace]
  P --> R

Dans la chaîne herbe, criquet, margouillat, serpent, quel est le niveau trophique du margouillat ?

Niveau 2, consommateur primaire
Niveau 3, consommateur secondaire
Niveau 4, consommateur tertiaire

L'herbe est au niveau 1, le criquet (herbivore) au niveau 2, donc le margouillat, qui mange le criquet, est au niveau 3.

2. Le bilan énergétique d'un consommateur

Toute l'énergie mangée par un animal ne sert pas à le faire grandir :

L'énergie ingérée \(E_i\) est celle des aliments mangés.
Une partie n'est pas digérée et est rejetée dans les excréments : \(E_r\).
Le reste est assimilé : \(E_a = E_i - E_r\).
Une grande partie de l'énergie assimilée sert à la respiration (vivre, bouger, maintenir sa température) et finit en chaleur : \(E_{resp}\).
Ce qui reste est stocké dans de nouveaux tissus (croissance, reproduction) : c'est la production, seule énergie disponible pour le niveau suivant : \(E_p = E_a - E_{resp}\).

\[ E_i = E_r + E_{resp} + E_p \]

Étape 1 : une partie de l'énergie ingérée n'est pas digérée ; elle part dans les excréments, utilisés par les décomposeurs.

Étape 2 : une grande partie de l'énergie assimilée est utilisée par la respiration et se dissipe en chaleur.

Étape 3 : seule la petite part restante, la production, est transmise au consommateur suivant.

Quelle partie de l'énergie ingérée par un criquet peut être transmise au margouillat qui le mange ?

L'énergie stockée dans ses tissus (production)
L'énergie perdue en chaleur par la respiration
L'énergie contenue dans ses excréments

Le margouillat mange le corps du criquet : il ne récupère que l'énergie stockée dans ses tissus. La chaleur est perdue et les excréments vont aux décomposeurs.

3. Rendement et pyramide des énergies

Le rendement de transfert entre deux niveaux trophiques compare l'énergie stockée par le niveau suivant à l'énergie disponible au niveau précédent :

\[ \text{rendement} = \frac{\text{énergie du niveau } n+1}{\text{énergie du niveau } n} \times 100 \]

Ce rendement est faible : on retient souvent un ordre de grandeur d'environ 10 %, mais il varie beaucoup selon les espèces et les milieux. En empilant les niveaux, on obtient une pyramide des énergies, toujours plus large à la base (producteurs) qu'au sommet.

Des criquets disposent de 2 000 kJ d'herbe et stockent 200 kJ dans leurs tissus. Quel est le rendement de transfert ?

1 %
20 %
10 %

\(\dfrac{200}{2\,000} \times 100 = 10\ \%\).

Exemples résolus : exercices progressifs

Les valeurs numériques des exercices sont des données d'exercice, choisies pour s'entraîner aux calculs.

Niveau 1 : placer les niveaux trophiques

Dans la chaîne graines de mil, souris, serpent, rapace, donne le niveau trophique et le rôle de chacun, puis dis où interviennent les décomposeurs.

Voir la solution

Graines de mil : niveau 1, producteur (fabriqué par la plante grâce à la photosynthèse).
Souris : niveau 2, consommateur primaire.
Serpent : niveau 3, consommateur secondaire.
Rapace : niveau 4, consommateur tertiaire.

Les décomposeurs interviennent à tous les niveaux : ils utilisent les cadavres, les déchets et les excréments de chacun.

Niveau 2 : le bilan de la vache

Une vache ingère de l'herbe contenant 10 000 kJ. Elle rejette 6 000 kJ dans ses bouses, et sa respiration utilise 3 600 kJ. Calcule l'énergie assimilée, l'énergie stockée (production) et la part de l'énergie ingérée qui sert à sa croissance.

Énergie assimilée : \(E_a = E_i - E_r = 10\,000 - 6\,000 = 4\,000\ \text{kJ}\).

Production : \(E_p = E_a - E_{resp} = 4\,000 - 3\,600 = 400\ \text{kJ}\).

Part de l'énergie ingérée stockée : \(\dfrac{400}{10\,000} \times 100 = 4\ \%\).

Vérification : \(6\,000 + 3\,600 + 400 = 10\,000\ \text{kJ}\). Les 6 000 kJ des bouses ne sont pas perdus pour l'écosystème : ils nourrissent les bousiers, les vers et les bactéries.

Niveau 3 : construire une pyramide des énergies

Dans une prairie, les producteurs stockent 50 000 kJ par mètre carré et par an. On admet un rendement de 10 % à chaque transfert. Calcule l'énergie disponible aux niveaux 2, 3 et 4, puis explique pourquoi il n'y a presque jamais de niveau 6.

Niveau 2 : \(50\,000 \times 0{,}10 = 5\,000\ \text{kJ}\).

Niveau 3 : \(5\,000 \times 0{,}10 = 500\ \text{kJ}\).

Niveau 4 : \(500 \times 0{,}10 = 50\ \text{kJ}\).

Au niveau 6, il ne resterait que \(50 \times 0{,}10 \times 0{,}10 = 0{,}5\ \text{kJ}\), soit 100 000 fois moins qu'à la base : trop peu pour nourrir une population de prédateurs. C'est pourquoi les chaînes comptent rarement plus de 4 ou 5 niveaux.

Étude de cas : du maïs ou du poulet ?

Dans une coopérative près de Parakou, au Bénin, un champ de maïs fournit une récolte contenant 20 000 MJ. Si toute la récolte sert à nourrir des poulets, la viande de poulet obtenue contient 1 000 MJ (données d'exercice). On admet qu'une personne a besoin de 10 MJ par jour.

Rendement de transfert du maïs au poulet : \(\dfrac{1\,000}{20\,000} \times 100 = 5\ \%\).

Si l'on mange directement le maïs : \(\dfrac{20\,000}{10} = 2\,000\) journées de nourriture.

Si l'on mange les poulets : \(\dfrac{1\,000}{10} = 100\) journées de nourriture.

Le même champ nourrit donc 20 fois plus de journées en consommant directement le maïs. Les 19 000 MJ « manquants » ont surtout été dissipés en chaleur par la respiration des poulets ou laissés dans leurs fientes.

Conclusion : plus on se nourrit bas dans la chaîne trophique, plus on profite de l'énergie captée par les plantes. Cela n'enlève rien à l'intérêt de la viande pour d'autres nutriments ; le calcul porte seulement sur l'énergie.

Dans cette étude de cas, où est passée la plus grande partie de l'énergie du maïs donné aux poulets ?

Elle a été stockée dans les os des poulets
Elle a surtout été dissipée en chaleur par la respiration des poulets ou rejetée dans les fientes
Elle a été recyclée et rendue au champ sous forme de lumière

À chaque niveau, la respiration transforme une grande partie de l'énergie assimilée en chaleur, et une autre partie est rejetée dans les excréments.

Erreurs fréquentes

Dire que l'énergie se recycle : c'est la matière qui est recyclée par les décomposeurs ; l'énergie finit en chaleur et ne revient pas aux plantes.
Dire que les plantes « fabriquent » de l'énergie : elles transforment l'énergie lumineuse du Soleil en énergie chimique stockée dans leur matière.
Confondre pyramide des nombres et pyramide des énergies : un seul manguier peut nourrir des milliers d'insectes, donc la pyramide des nombres peut être inversée ; la pyramide des énergies, elle, est toujours plus large à la base.
Prendre le rendement de 10 % pour une loi exacte : c'est un ordre de grandeur, la valeur réelle varie.
Oublier les décomposeurs : ils reçoivent l'énergie des cadavres et des excréments de tous les niveaux.
Mal calculer un rendement : on divise toujours l'énergie du niveau supérieur par celle du niveau inférieur, puis on multiplie par 100.

Laquelle de ces phrases est correcte ?

L'énergie est recyclée par les décomposeurs et retourne aux plantes
La pyramide des énergies peut être inversée
La matière est recyclée, mais l'énergie traverse l'écosystème en sens unique

Les décomposeurs recyclent la matière en éléments minéraux réutilisés par les plantes ; l'énergie, elle, est perdue en chaleur. La pyramide des énergies n'est jamais inversée.

Récapitulatif

La flèche d'une chaîne trophique signifie « est mangé par » ; les chaînes s'entrecroisent en réseau trophique.
Bilan d'un consommateur : \(E_i = E_r + E_{resp} + E_p\) ; seule la production passe au niveau suivant.
Rendement de transfert faible (ordre de grandeur environ 10 %) : la pyramide des énergies s'amincit vers le haut et les chaînes sont courtes.
Les producteurs captent l'énergie lumineuse, les consommateurs la transfèrent en en perdant beaucoup, les décomposeurs utilisent les restes de tous les niveaux.

Niveau trophique

Place dans la chaîne : producteur (1), consommateur primaire (2), secondaire (3)…

Énergie assimilée

Énergie ingérée moins énergie rejetée dans les excréments.

Production

Énergie stockée dans les tissus, seule disponible pour le niveau suivant.

Rendement de transfert

Énergie du niveau n+1 divisée par celle du niveau n, fois 100 ; souvent proche de 10 %.

Décomposeurs

Bactéries, champignons, petits animaux qui utilisent cadavres et excréments et recyclent la matière.