Flux d'énergie dans les écosystèmes
Flux d'énergie dans les écosystèmes
L'énergie du Soleil entre dans l'écosystème par les producteurs, puis passe d'un niveau trophique au suivant le long des chaînes alimentaires en se perdant en grande partie à chaque étape, tandis que les décomposeurs recyclent la matière.
Objectifs
- Construire une chaîne alimentaire et un réseau trophique à partir d'observations.
- Attribuer un niveau trophique à chaque être vivant : producteur, consommateur primaire, secondaire, tertiaire, décomposeur.
- Expliquer pourquoi l'énergie diminue à chaque niveau et calculer un rendement de transfert.
- Distinguer le flux d'énergie (à sens unique) du cycle de la matière.
Notions clés
1. Chaînes alimentaires et niveaux trophiques
Une chaîne alimentaire est une suite d'êtres vivants dans laquelle chacun mange le précédent. On la représente par des flèches qui signifient « est mangé par » : elles indiquent le sens de passage de la matière et de l'énergie.
\[ \text{mil} \rightarrow \text{criquet} \rightarrow \text{margouillat} \rightarrow \text{serpent} \rightarrow \text{rapace} \]Chaque maillon occupe un niveau trophique (du grec trophê, « nourriture ») :
- Producteurs (niveau 1) : végétaux chlorophylliens et algues. Grâce à la photosynthèse, ils fabriquent leur matière organique à partir de dioxyde de carbone, d'eau et de sels minéraux, en utilisant l'énergie lumineuse. Ils sont autotrophes.
- Consommateurs primaires (niveau 2) : herbivores qui mangent les producteurs (criquet, chèvre, gazelle).
- Consommateurs secondaires (niveau 3) : carnivores qui mangent des herbivores (margouillat, poule qui mange des insectes).
- Consommateurs tertiaires (niveau 4) : carnivores qui mangent d'autres carnivores (serpent, rapace).
- Décomposeurs : champignons, bactéries et une partie des petits animaux du sol (vers de terre, termites) qui se nourrissent de matière organique morte (cadavres, feuilles mortes, excréments) et la transforment en matière minérale.
Tous les consommateurs et les décomposeurs sont hétérotrophes : ils doivent prendre leur matière organique à d'autres êtres vivants.
Dans la chaîne « algues → têtard → poisson → héron », quel est le niveau trophique du poisson ?
2. Les réseaux trophiques
Dans la nature, un animal mange rarement une seule sorte de nourriture, et il a souvent plusieurs prédateurs. Les chaînes alimentaires d'un écosystème s'entrecroisent et forment un réseau trophique.
flowchart LR A[Herbe de savane] --> B[Criquet] A --> C[Gazelle] M[Mil] --> B M --> P[Poule] B --> P B --> L[Margouillat] L --> S[Serpent] P --> S C --> N[Lion] S --> R[Rapace]
Dans ce réseau, la poule est à la fois consommateur primaire (quand elle mange du mil) et consommateur secondaire (quand elle mange des criquets) : un même animal peut occuper plusieurs niveaux trophiques.
D'après le réseau ci-dessus, que risque-t-il d'arriver aux margouillats si les criquets disparaissent ?
3. Le transfert d'énergie et ses pertes
Le Soleil est la source d'énergie de presque tous les écosystèmes. Les producteurs captent une petite partie de la lumière qui les éclaire et la stockent sous forme d'énergie chimique dans leur matière organique. Cette énergie passe ensuite aux consommateurs quand ils mangent.
Mais à chaque niveau, une grande partie de l'énergie n'est pas transmise au niveau suivant :
- la respiration : chaque être vivant utilise une partie de l'énergie pour vivre (se déplacer, maintenir sa température, fabriquer ses cellules) ; elle est finalement perdue sous forme de chaleur ;
- les parties non consommées : racines, os, plumes, carapaces ne sont pas mangés ;
- les parties non assimilées : une partie de ce qui est mangé n'est pas digérée et est rejetée dans les excréments.
Les parties non consommées, les excréments et les cadavres ne sont pas perdus pour tout l'écosystème : ils nourrissent les décomposeurs. Mais l'énergie utilisée par la respiration, elle, est perdue sous forme de chaleur.
On mesure l'efficacité d'un transfert par le rendement :
\[ \text{rendement} = \frac{\text{énergie stockée par le niveau } n+1}{\text{énergie stockée par le niveau } n} \times 100 \]En moyenne, seule une petite fraction de l'énergie, de l'ordre de 10 % (souvent entre 5 et 20 % selon les êtres vivants), passe d'un niveau au suivant. C'est pourquoi on représente les niveaux par une pyramide des énergies, large à la base et étroite au sommet.
Les consommateurs primaires ne reçoivent qu'environ un dixième de l'énergie stockée par les producteurs : 1 000 kJ sur 10 000 kJ dans cet exemple.
Le même phénomène se répète : 100 kJ pour les consommateurs secondaires, 10 kJ pour les tertiaires. La pyramide se rétrécit très vite.
À chaque étage, la plus grande partie de l'énergie sort de la chaîne : chaleur de la respiration, et matière non consommée ou rejetée qui part vers les décomposeurs.
Pourquoi les chaînes alimentaires dépassent-elles rarement quatre ou cinq maillons ?
Exemples résolus
Exemple 1 : calculer des rendements
Dans une prairie près de Tamale, on estime l'énergie stockée en un an sur une même surface : herbe 50 000 kJ ; criquets 4 000 kJ ; margouillats 300 kJ. Calcule le rendement de chaque transfert. Cherche d'abord, puis dévoile les étapes.
Exemple 2 : prévoir l'énergie disponible
Des algues d'une mare stockent 20 000 kJ. En supposant un rendement de 10 % à chaque niveau, quelle énergie reste-t-il pour les hérons dans la chaîne « algues → têtards → poissons → hérons » ?
Voir la solution
\begin{align} \text{têtards} &= 20\,000 \times 0{,}10 = 2\,000\ \text{kJ} \\ \text{poissons} &= 2\,000 \times 0{,}10 = 200\ \text{kJ} \\ \text{hérons} &= 200 \times 0{,}10 = 20\ \text{kJ} \end{align}Il ne reste que 20 kJ pour les hérons, soit un millième de l'énergie stockée par les algues : c'est pourquoi les grands prédateurs sont peu nombreux.
Exemple 3 : manger « plus bas » dans la chaîne
Fatou se demande pourquoi, avec la même surface cultivée, on nourrit plus de personnes avec des céréales qu'en donnant ces céréales à des animaux d'élevage pour manger leur viande. Explique avec la notion de rendement.
Voir la solution
Si l'humain mange directement les céréales, il est consommateur primaire : il récupère l'énergie des producteurs en un seul transfert. S'il mange la viande d'un animal nourri aux céréales, il est consommateur secondaire : il y a un transfert de plus, et l'animal a déjà perdu la plus grande partie de l'énergie (respiration, parties non assimilées). L'énergie disponible pour l'humain est donc bien plus faible avec la viande.
Une chèvre mange une herbe qui contenait 2 000 kJ et stocke 100 kJ dans son corps. Quel est le rendement de ce transfert ?
Erreurs fréquentes
- Orienter les flèches du mangeur vers le mangé.
- Oublier les décomposeurs dans un réseau trophique.
- Croire qu'un animal n'occupe qu'un seul niveau trophique, même s'il a un régime varié.
- Penser que toute l'énergie mangée est transmise au niveau suivant.
- Calculer le rendement à l'envers (énergie du niveau précédent divisée par celle du niveau suivant) : le résultat dépasserait 100 %, ce qui est impossible.
Récapitulatif
- Chaîne alimentaire : suite de « est mangé par » ; réseau trophique : chaînes entrecroisées.
- Niveaux trophiques : producteurs (autotrophes, photosynthèse), consommateurs primaires, secondaires, tertiaires ; décomposeurs qui recyclent la matière morte.
- À chaque transfert, l'essentiel de l'énergie est perdu (respiration et chaleur, parties non mangées ou non assimilées) ; rendement de l'ordre de 10 %.
- Pyramide des énergies large à la base ; flux d'énergie à sens unique, cycle de la matière.
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