Fonctionnement des Écosystèmes : Flux et Cycles

Les éléments nutritifs limitants

Il y a des éléments nutritifs qui peuvent être rares dans certains endroits, limitant ainsi la production primaire des écosystèmes. Faits saillants :

• L'azote : C'est un composant de la chlorophylle et de l'enzyme Rubisco. Bien que l'azote soit abondant dans l'atmosphère, seuls quelques micro-organismes sont capables de l'utiliser. Les plantes l'obtiennent sous forme de nitrates dissous dans l'eau.
• Le phosphore : Il fait partie de composés essentiels comme les acides nucléiques et l'ATP. Une quantité moins élevée est nécessaire, mais le manque de phosphore limite la production primaire dans de nombreux endroits.

Le rôle de la lumière

La lumière est la source d'énergie qui permet la photosynthèse et qui est directement liée à la production primaire. La production primaire augmente linéairement avec l'intensité lumineuse, mais cette croissance ralentit jusqu'à atteindre un taux maximum de photosynthèse à la valeur d'intensité lumineuse de saturation.

La lumière est l'un des principaux facteurs limitants des écosystèmes aquatiques.

Les décomposeurs

Les décomposeurs sont des bactéries et des champignons. Dans les écosystèmes terrestres, ils se trouvent dans le sol, tandis que dans les écosystèmes aquatiques, ils se situent dans les sédiments du fond.

Ces organismes se nourrissent de la décomposition des déchets organiques préalablement traités par les détritivores.

Les décomposeurs utilisent la matière organique produite, qui finit par se transformer en sels minéraux, fermant ainsi le cycle de la matière.

Le rôle des décomposeurs dans les écosystèmes est essentiel, car ils sont responsables de la régénération des composés minéraux nécessaires aux autotrophes. Ce processus est appelé la minéralisation.

Le flux d'énergie

Le flux d'énergie dans les écosystèmes présente les caractéristiques suivantes :

• Unidirectionnel : L'énergie circule toujours des producteurs aux consommateurs et, enfin, aux décomposeurs, mais jamais dans le sens inverse.
• Ouvert : Un approvisionnement continu en énergie est nécessaire pour le bon fonctionnement des écosystèmes.
• Diminution de l'efficacité : L'efficacité énergétique diminue à travers les niveaux trophiques successifs.
• Réduction de la production : À chaque niveau, la production est réduite. L'énergie stockée dans un niveau trophique ne représente qu'environ 10 % de celle stockée dans le niveau précédent.

Le cycle de la matière

Les sels minéraux que les plantes absorbent pour réaliser la synthèse des biomolécules organiques circulent à travers les différents niveaux de consommateurs pour atteindre les décomposeurs. À ce niveau, les éléments minéraux sont libérés dans le milieu afin d'être réutilisés par les producteurs. Ce parcours est appelé le cycle de la matière.

Les pyramides trophiques

Elles représentent les relations trophiques dans un écosystème, sans détailler chaque espèce ni sa position exacte dans la chaîne alimentaire, mais en donnant une image globale du rôle des différents niveaux trophiques.

La pyramide des nombres

Dans les pyramides des nombres, la longueur des rectangles est proportionnelle au nombre d'individus de toutes les espèces de chaque niveau trophique, par unité de surface ou de volume.

La forme de ces pyramides varie d'une région à l'autre selon la taille des individus.

Ces pyramides ne représentent pas toujours une relation trophique claire, car la taille des individus est un facteur crucial pour comprendre leurs besoins nutritionnels.

La pyramide de biomasse

Dans ces pyramides, la longueur des rectangles est proportionnelle au poids sec de tous les individus de chaque niveau trophique, par unité de surface ou de volume.

Ces pyramides décrivent mieux les relations trophiques de l'écosystème, car elles indiquent la quantité de matière organique disponible pour être consommée à chaque niveau trophique. Cependant, elles n'expriment pas la quantité d'énergie réellement transférée d'un niveau à l'autre.

La pyramide d'énergie ou de production

Dans ces pyramides, la longueur des rectangles est proportionnelle à l'énergie produite par unité de temps par l'ensemble des individus de chaque niveau trophique, par unité de surface ou de volume.

Ce sont elles qui offrent la meilleure vue d'ensemble des relations trophiques dans les écosystèmes, car elles donnent une idée précise de l'énergie passant d'un niveau trophique au niveau supérieur de la chaîne alimentaire.

Les pyramides d'énergie se caractérisent par :

• Elles ne sont jamais inversées : les niveaux inférieurs sont toujours plus larges que les niveaux supérieurs.
• L'absence de variations saisonnières : elles ne représentent pas la situation à un instant précis, mais sur une période donnée.

De la biosphère aux écosystèmes

Nous appelons biosphère de la Terre la couche qui abrite les êtres vivants. C'est le sous-système terrestre qui comprend la vie et qui entretient des relations avec les trois autres sous-systèmes terrestres : l'atmosphère, l'hydrosphère et la géosphère.

La biosphère est une couche hétérogène d'épaisseur variable, et ses caractéristiques environnementales sont changeantes. Les différents territoires présents sur Terre diffèrent par la diversité de la vie qu'on y trouve.

Pour que cette partie de la Terre soit habitable, elle doit remplir au moins les conditions suivantes :

• Disposer d'eau.
• Avoir des températures permettant l'existence d'eau liquide.
• Bénéficier d'une source d'énergie, généralement la lumière du soleil.

Dans la biosphère, la matière et l'énergie circulent d'un organisme à l'autre à travers les relations trophiques, dans ce que l'on appelle le cycle de la matière. L'énergie obtenue par l'alimentation des êtres vivants est transformée en travail et en chaleur ; un approvisionnement continu en énergie est donc essentiel. Ce processus est appelé le flux d'énergie.

Qu'est-ce qu'un écosystème ?

L'écosystème est la zone de la biosphère formée par des organismes vivants d'espèces différentes (la biocénose) et leur environnement physique (le biotope), entre lesquels s'établissent de multiples relations d'échange de matière et d'énergie.

Les composantes des écosystèmes sont les suivantes :

• Biotique : La biocénose est formée par les organismes vivants d'espèces différentes qui interagissent au sein de l'écosystème.
• Abiotique : Le biotope est l'espace physique de l'écosystème, défini par ses propriétés chimiques et physiques (température, luminosité, etc.).

Les caractéristiques de l'écosystème sont les suivantes :

• Interaction des composants : Ses composants interagissent de façon très variée et complexe, fonctionnant comme une seule unité.
• Systèmes d'autorégulation : Les interactions permettent aux écosystèmes de tendre vers la stabilité dans le temps.
• Taille très variable : Elle garantit que les caractéristiques physiques globales du biotope soient similaires (le climat doit être commun, sans grandes variations de composition chimique ou d'êtres vivants). De plus, pour ne pas être trop complexe, la biosphère entière peut être étudiée comme un unique écosystème.
• Systèmes ouverts à l'énergie : Les écosystèmes fonctionnent grâce au recyclage de la matière. Les nutriments sont utilisés par les organismes de la biocénose, puis retournent à terme sous forme de composés minéraux dans le biotope. Ce processus est appelé le cycle de la matière.

Les producteurs

Les producteurs chimiosynthétiques

Il s'agit de certains représentants du règne des Monères. Ils n'utilisent pas la lumière, mais tirent leur énergie de réactions chimiques d'oxydoréduction qu'ils catalysent. Cette réaction exothermique libère de l'énergie qu'ils utilisent pour fabriquer les composés organiques dont ils ont besoin.

Les producteurs photosynthétiques

Les plantes, les algues unicellulaires et pluricellulaires ainsi que les cyanobactéries réalisent le même type de photosynthèse oxygénique, où la chlorophylle est le principal pigment absorbant l'énergie lumineuse.

Les principaux producteurs sont les végétaux pour les écosystèmes terrestres et le phytoplancton pour les écosystèmes aquatiques. Dans tous les cas, le pigment absorbant la lumière est la chlorophylle, et l'eau sert de source de protons et d'électrons, produisant de l'oxygène comme déchet. Le processus comporte deux phases :

• La fixation du CO2 (ou phase sombre) : Elle produit du glucose. L'enzyme qui catalyse cette réaction de fixation du CO2 est appelée la RuBisCO.
• La phase lumineuse (ou réactions claires) : Elle se déroule grâce à l'absorption de la lumière par la chlorophylle.

Les producteurs convertissent ainsi l'énergie lumineuse en énergie chimique.

La biomasse

C'est le poids de la matière organique accumulée par unité de surface. La biomasse accumulée par les producteurs primaires est appelée la biomasse primaire.

Le flux d'énergie des écosystèmes commence par l'absorption de la lumière solaire par les producteurs.

La production

C'est le taux de stockage d'énergie sous forme de matière organique. La quantité de matière organique produite par les producteurs par unité de temps constitue la production primaire.

Il existe deux types de production primaire :

• La production primaire brute (PPB) : C'est la quantité totale d'énergie fixée sous forme de matière organique.
• La production primaire nette (PPN) : C'est la biomasse réellement assimilée et accumulée par les producteurs après déduction des pertes liées à la respiration.

Facteurs limitants de la production

Température et humidité

La production primaire augmente généralement avec la température.

Des températures minimales sont nécessaires pour que l'activité photosynthétique ait lieu.

L'humidité exerce également une influence majeure sur le taux de photosynthèse.

Les températures élevées augmentent la production lorsque la disponibilité en eau est également élevée. Dans le cas contraire, lorsque l'évapotranspiration dépasse la capacité d'absorption d'eau des plantes, leurs stomates se ferment. Cela réduit la concentration de CO2 dans les cellules foliaires et arrête la photosynthèse. C'est alors que commence la photorespiration, un processus similaire à la respiration qui ne produit pas d'énergie et entraîne une perte de matière organique.