20.1 : Flux d'énergie à travers les écosystèmes
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Un écosystème est une communauté d'organismes vivants et de leur environnement abiotique (non vivant). Les écosystèmes peuvent être petits, comme les bassins de marée situés près des rives rocheuses de nombreux océans, ou grands, comme ceux que l'on trouve dans la forêt tropicale humide de l'Amazonie au Brésil (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Il existe trois grandes catégories d'écosystèmes en fonction de leur environnement général : les écosystèmes d'eau douce, les écosystèmes marins et les écosystèmes terrestres. Ces trois catégories comprennent des types d'écosystèmes individuels basés sur l'habitat environnemental et les organismes présents.
Écologie des écosystèmes
La vie dans un écosystème implique souvent une compétition pour des ressources limitées, qui se produit à la fois au sein d'une même espèce et entre différentes espèces. Les organismes se disputent la nourriture, l'eau, la lumière du soleil, l'espace et les nutriments minéraux. Ces ressources fournissent l'énergie nécessaire aux processus métaboliques et la matière nécessaire à la constitution des structures physiques des organismes. Les autres facteurs critiques qui influencent la dynamique de la communauté sont les composantes de son environnement physique : le climat (saisons, ensoleillement et précipitations), l'altitude et la géologie de l'habitat. Il peut s'agir de variables environnementales importantes qui déterminent quels organismes peuvent exister dans une zone donnée.
Les écosystèmes d'eau douce sont les moins répandus, ne couvrant que 1,8 % de la surface de la Terre. Ces systèmes comprennent des lacs, des rivières, des ruisseaux et des sources ; ils sont très divers et abritent une variété d'animaux, de plantes, de champignons, de protistes et de procaryotes.
Les écosystèmes marins sont les plus courants, représentant 75 % de la surface de la Terre et se répartissent en trois types de base : les océans peu profonds, les eaux profondes de l'océan et les fonds océaniques profonds. Les écosystèmes marins peu profonds comprennent des écosystèmes de récifs coralliens extrêmement riches en biodiversité, mais les eaux profondes de l'océan sont connues pour leur grande quantité de plancton et de krill (petits crustacés) qui les soutiennent. Ces deux environnements sont particulièrement importants pour les respirateurs aérobies du monde entier, car le phytoplancton est responsable de 40 % de toutes les photosynthèses sur Terre. Bien qu'ils ne soient pas aussi diversifiés que les deux autres, les écosystèmes des fonds marins abritent une grande variété d'organismes marins. De tels écosystèmes existent même à des profondeurs où la lumière ne peut pas pénétrer dans l'eau.
Les écosystèmes terrestres, également connus pour leur diversité, sont regroupés en grandes catégories appelées biomes. Un biome est une communauté d'organismes à grande échelle, principalement définie sur terre par les types de plantes dominants qui existent dans des régions géographiques de la planète présentant des conditions climatiques similaires. Les exemples de biomes incluent les forêts tropicales humides, les savanes, les déserts, les prairies, les forêts tempérées et les toundras. Le fait de regrouper ces écosystèmes en quelques catégories de biomes masque la grande diversité des écosystèmes individuels qui les composent. Par exemple, les cactus saguaro (Carnegiea gigantean) et d'autres plantes du désert de Sonora, aux États-Unis, sont relativement diversifiés par rapport au désert rocheux désolé de Boa Vista, une île au large des côtes de l'Afrique de l'Ouest (Figure\(\PageIndex{2}\)).
Écosystèmes et perturbations
Les écosystèmes sont complexes et comportent de nombreuses parties qui interagissent. Ils sont régulièrement exposés à diverses perturbations : modifications de l'environnement qui affectent leur composition, telles que les variations annuelles des précipitations et de la température. De nombreuses perturbations sont le résultat de processus naturels. Par exemple, lorsque la foudre provoque un incendie de forêt et détruit une partie d'un écosystème forestier, le sol est finalement peuplé de graminées, suivies de buissons et d'arbustes, puis d'arbres matures : ainsi, la forêt retrouve son état antérieur. Ce processus est tellement universel que les écologistes lui ont donné un nom : la succession. L'impact des perturbations environnementales causées par les activités humaines est désormais aussi important que les changements provoqués par les processus naturels. Les pratiques agricoles humaines, la pollution de l'air, les pluies acides, la déforestation mondiale, la surpêche, les déversements d'hydrocarbures et les déversements illégaux sur terre et dans l'océan ont tous des impacts sur les écosystèmes.
L'équilibre est l'état dynamique d'un écosystème dans lequel, malgré l'évolution du nombre et de la présence des espèces, la biodiversité demeure relativement constante. En écologie, deux paramètres sont utilisés pour mesurer les changements dans les écosystèmes : la résistance et la résilience. La capacité d'un écosystème à maintenir son équilibre malgré les perturbations est appelée résistance. La vitesse à laquelle un écosystème retrouve son équilibre après avoir été perturbé est appelée résilience. La résistance et la résilience des écosystèmes sont particulièrement importantes lorsque l'on considère l'impact humain. La nature d'un écosystème peut changer à tel point qu'il peut perdre totalement sa résilience. Ce processus peut mener à la destruction complète ou à la modification irréversible de l'écosystème.
Chaînes alimentaires et réseaux alimentaires
Une chaîne alimentaire est une séquence linéaire d'organismes à travers laquelle les nutriments et l'énergie passent lorsqu'un organisme en mange un autre ; les niveaux de la chaîne alimentaire sont les producteurs, les consommateurs primaires, les consommateurs supérieurs et, enfin, les décomposeurs. Ces niveaux sont utilisés pour décrire la structure et la dynamique de l'écosystème. Il existe un seul chemin à travers la chaîne alimentaire. Chaque organisme d'une chaîne alimentaire occupe un niveau trophique (niveau énergétique) spécifique, sa position dans la chaîne alimentaire ou le réseau alimentaire.
Dans de nombreux écosystèmes, la base ou le fondement de la chaîne alimentaire est constitué d'organismes photosynthétiques (plantes ou phytoplancton), appelés producteurs. Les organismes qui consomment les producteurs sont des herbivores : les principaux consommateurs. Les consommateurs secondaires sont généralement des carnivores qui mangent les principaux consommateurs. Les consommateurs tertiaires sont des carnivores qui mangent d'autres carnivores. Les consommateurs de haut niveau se nourrissent des niveaux trophiques inférieurs suivants, et ainsi de suite, jusqu'aux organismes situés au sommet de la chaîne alimentaire : les consommateurs les plus élevés. Dans la chaîne alimentaire du lac Ontario, illustrée à la figure\(\PageIndex{3}\), le saumon quinnat est le principal consommateur au sommet de cette chaîne alimentaire.
L'énergie est l'un des principaux facteurs qui limitent le nombre d'étapes d'une chaîne alimentaire. L'énergie est perdue à chaque niveau trophique et entre les niveaux trophiques sous forme de chaleur et lors du transfert vers les décomposeurs (Figure\(\PageIndex{4}\)). Ainsi, après un nombre limité de transferts d'énergie trophique, la quantité d'énergie restant dans la chaîne alimentaire peut ne pas être suffisante pour soutenir des populations viables à un niveau trophique encore plus élevé.
L'utilisation des chaînes alimentaires pour décrire la plupart des écosystèmes pose un problème. Même lorsque tous les organismes sont regroupés dans les niveaux trophiques appropriés, certains d'entre eux peuvent se nourrir de plus d'un niveau trophique ; de même, certains de ces organismes peuvent également être nourris à partir de plusieurs niveaux trophiques. De plus, les espèces se nourrissent de plus d'une espèce et sont consommées par elles. En d'autres termes, le modèle linéaire des écosystèmes, la chaîne alimentaire, est une représentation hypothétique et trop simpliste de la structure de l'écosystème. Un modèle holistique, qui inclut toutes les interactions entre les différentes espèces et leurs relations interconnectées complexes entre elles et avec l'environnement, est un modèle plus précis et plus descriptif pour les écosystèmes. Un réseau trophique est un concept qui tient compte des multiples interactions trophiques (alimentaires) entre chaque espèce et les nombreuses espèces dont elle peut se nourrir ou qui s'en nourrissent. Dans un réseau trophique, les différents liens trophiques entre chaque espèce et les autres espèces qui interagissent avec elle peuvent traverser plusieurs niveaux trophiques. Les mouvements de matière et d'énergie de pratiquement tous les écosystèmes sont décrits plus précisément par les réseaux alimentaires (Figure\(\PageIndex{5}\)).
CONCEPT EN ACTION
Dirigez-vous vers ce simulateur interactif en ligne pour étudier le fonctionnement du réseau alimentaire. Dans la zone Interactive Labs, sous Food Web, cliquez sur Étape 1. Lisez d'abord les instructions, puis cliquez sur Étape 2 pour obtenir des instructions supplémentaires. Lorsque vous êtes prêt à créer une simulation, dans l'angle supérieur droit de la zone Interactive Labs, cliquez sur OUVRIR LE SIMULATEUR.
Deux types généraux de réseaux alimentaires interagissent souvent au sein d'un même écosystème. Un réseau trophique de pâturage est constitué de plantes ou d'autres organismes photosynthétiques à sa base, suivis par des herbivores et divers carnivores. Un réseau trophique détritique est constitué d'une base d'organismes qui se nourrissent de matières organiques en décomposition (organismes morts), y compris des décomposeurs (qui décomposent les organismes morts et en décomposition) et des détritivores (qui consomment des détritus organiques). Ces organismes sont généralement des bactéries, des champignons et des animaux invertébrés qui recyclent les matières organiques dans la partie biotique de l'écosystème lorsqu'elles sont elles-mêmes consommées par d'autres organismes. Comme les écosystèmes ont besoin d'une méthode pour recycler les matières provenant d'organismes morts, les réseaux alimentaires de pâturage sont associés à un réseau trophique détritique. Par exemple, dans un écosystème de prairie, les plantes peuvent soutenir un réseau alimentaire de pâturage composé de différents organismes, de consommateurs primaires et autres, tout en soutenant un réseau alimentaire détritique composé de bactéries et de champignons se nourrissant de plantes et d'animaux morts. Simultanément, un réseau trophique détritique peut fournir de l'énergie à un réseau alimentaire de pâturage, comme lorsqu'un merle mange un ver de terre.
Comment les organismes acquièrent de l'énergie dans un réseau alimentaire
Tous les êtres vivants ont besoin d'énergie sous une forme ou une autre. L'énergie est utilisée par la plupart des voies métaboliques complexes (généralement sous forme d'ATP), en particulier celles responsables de la construction de grosses molécules à partir de composés plus petits. Les organismes vivants ne seraient pas en mesure d'assembler des macromolécules (protéines, lipides, acides nucléiques et glucides complexes) à partir de leurs monomères sans un apport énergétique constant.
Les diagrammes du réseau alimentaire illustrent la façon dont l'énergie circule directionnellement à travers les écosystèmes. Ils peuvent également indiquer l'efficacité avec laquelle les organismes acquièrent de l'énergie, l'utilisent et la quantité qui reste à utiliser par d'autres organismes du réseau alimentaire. Les êtres vivants acquièrent de l'énergie de deux manières : les autotrophes exploitent l'énergie lumineuse ou chimique et les hétérotrophes acquièrent de l'énergie en consommant et en digérant d'autres organismes vivants ou ayant déjà vécu.
Les organismes photosynthétiques et chimiosynthétiques sont des autotrophes, c'est-à-dire des organismes capables de synthétiser leur propre nourriture (plus précisément, capables d'utiliser du carbone inorganique comme source de carbone). Les autotrophes photosynthétiques (photoautotrophes) utilisent la lumière solaire comme source d'énergie, et les autotrophes chimiosynthétiques (chimioautotrophes) utilisent des molécules inorganiques comme source d'énergie. Les autotrophes sont essentiels pour la plupart des écosystèmes : ils constituent le niveau trophique producteur. Sans ces organismes, l'énergie ne serait pas disponible pour les autres organismes vivants et la vie elle-même ne serait pas possible.
Les photoautotrophes, tels que les plantes, les algues et les bactéries photosynthétiques, sont la source d'énergie de la majorité des écosystèmes du monde. Ces écosystèmes sont souvent décrits par le pâturage et les réseaux alimentaires détritiques. Les photoautotrophes exploitent l'énergie solaire du soleil en la convertissant en énergie chimique sous forme d'ATP (et de NADP). L'énergie stockée dans l'ATP est utilisée pour synthétiser des molécules organiques complexes, telles que le glucose. La vitesse à laquelle les producteurs de photosynthèse incorporent l'énergie du soleil est appelée productivité primaire brute. Cependant, toute l'énergie incorporée par les producteurs n'est pas disponible pour les autres organismes de la chaîne alimentaire, car les producteurs doivent également croître et se reproduire, ce qui consomme de l'énergie. La productivité primaire nette est l'énergie qui reste dans les producteurs après prise en compte de la respiration et de la perte de chaleur de ces organismes. La productivité nette est ensuite mise à la disposition des principaux consommateurs au niveau trophique suivant.
Les chimioautotrophes sont principalement des bactéries et des archées que l'on trouve dans de rares écosystèmes où la lumière solaire n'est pas disponible, tels que ceux associés aux grottes sombres ou aux évents hydrothermaux au fond de l'océan (Figure\(\PageIndex{6}\)). De nombreux chimioautotrophes des cheminées hydrothermales utilisent du sulfure d'hydrogène (H 2 S), qui est libéré par les évents comme source d'énergie chimique ; cela leur permet de synthétiser des molécules organiques complexes, telles que le glucose, pour leur propre énergie et, à leur tour, fournit de l'énergie au reste de l'écosystème.
Conséquences des réseaux alimentaires : amplification biologique
L'une des conséquences les plus importantes de la dynamique des écosystèmes en termes d'impact humain est la bioamplification. La bioamplification est la concentration croissante de substances toxiques persistantes dans les organismes à chaque niveau trophique successif. Ce sont des substances liposolubles, non hydrosolubles, qui sont stockées dans les réserves de graisse de chaque organisme. Il a été démontré que de nombreuses substances se bioamplifient, notamment des études classiques sur le pesticide dichlorodiphényltrichloroéthane (DDT), qui ont été décrites dans le best-seller des années 1960, Silent Spring de Rachel Carson. Le DDT était un pesticide couramment utilisé avant que ses dangers pour les consommateurs les plus exigeants, tels que le pygargue à tête blanche, ne soient connus. Dans les écosystèmes aquatiques, les organismes de chaque niveau trophique consommaient de nombreux organismes du niveau inférieur, ce qui a entraîné une augmentation du DDT chez les oiseaux (principaux consommateurs) qui mangeaient du poisson. Ainsi, les oiseaux ont accumulé des quantités suffisantes de DDT pour fragiliser leurs coquilles d'œufs. Cet effet a augmenté la cassure des œufs pendant la nidification et il a été démontré qu'il a des effets dévastateurs sur ces populations d'oiseaux. L'utilisation du DDT a été interdite aux États-Unis dans les années 1970.
Les autres substances qui se bioamplifient sont les polychlorobiphényles (PCB), qui étaient utilisés comme liquides de refroidissement aux États-Unis jusqu'à l'interdiction de leur utilisation en 1979, et les métaux lourds tels que le mercure, le plomb et le cadmium. Ces substances sont mieux étudiées dans les écosystèmes aquatiques, où les espèces de poissons prédateurs accumulent de très fortes concentrations de substances toxiques qui sont très faibles dans l'environnement et chez les producteurs. Comme le montre une étude réalisée par la NOAA dans la baie de Saginaw du lac Huron, dans les Grands Lacs d'Amérique du Nord (Figure\(\PageIndex{7}\)), les concentrations de PCB ont augmenté chez les producteurs de l'écosystème (phytoplancton) en passant par les différents niveaux trophiques des espèces de poissons. Le principal consommateur, le doré jaune, contient plus de quatre fois plus de PCB que le phytoplancton. De plus, selon les résultats d'autres études, les oiseaux qui mangent ces poissons peuvent présenter des niveaux de PCB supérieurs d'au moins un ordre de grandeur à ceux trouvés dans les poissons de lac.
D'autres préoccupations ont été soulevées par la bioamplification des métaux lourds, tels que le mercure et le cadmium, dans certains types de fruits de mer. L'Agence de protection de l'environnement des États-Unis recommande aux femmes enceintes et aux jeunes enfants de ne pas consommer d'espadon, de requin, de maquereau royal ou de poisson-tuile en raison de leur forte teneur en mercure. Il est conseillé à ces personnes de manger du poisson pauvre en mercure : saumon, crevettes, goberge et poisson-chat. La bioamplification est un bon exemple de la façon dont la dynamique des écosystèmes peut affecter notre vie quotidienne, et même influencer les aliments que nous consommons.
Résumé de la section
Les écosystèmes existent sous terre, sur terre, en mer et dans l'air. Les organismes d'un écosystème acquièrent de l'énergie de différentes manières, qui est transférée entre les niveaux trophiques à mesure que l'énergie circule de la base au sommet du réseau trophique, l'énergie étant perdue à chaque transfert. L'énergie est perdue à chaque niveau trophique, de sorte que la longueur des chaînes alimentaires est limitée, car il ne reste plus assez d'énergie pour subvenir aux besoins d'une population de consommateurs. Les composés liposolubles se bioamplifient le long de la chaîne alimentaire, causant des dommages aux principaux consommateurs, même lorsque les concentrations d'une toxine dans l'environnement sont faibles.
Lexique
- autotrophe
- un organisme capable de synthétiser ses propres molécules alimentaires à partir de molécules inorganiques plus petites
- consommateur de pointe
- un organisme au sommet de la chaîne alimentaire
- bioamplification
- une concentration croissante de substances toxiques persistantes dans les organismes à chaque niveau trophique, des producteurs aux consommateurs les plus avancés
- biome
- une communauté d'organismes à grande échelle, principalement définie sur terre par les types de plantes dominants qui existent dans des régions géographiques de la planète présentant des conditions climatiques similaires
- chimioautotrophe
- un organisme capable de synthétiser sa propre nourriture en utilisant l'énergie de molécules inorganiques
- réseau alimentaire détritique
- type de réseau trophique soutenu par des organismes morts ou en décomposition plutôt que par des autotrophes vivants ; ceux-ci sont souvent associés au pâturage des réseaux alimentaires au sein d'un même écosystème
- écosystème
- une communauté d'organismes vivants et leurs interactions avec leur environnement abiotique
- équilibre
- l'état stable d'un système dans lequel les relations entre les éléments du système ne changent pas
- chaîne alimentaire
- une séquence linéaire des relations trophiques (alimentaires) entre les producteurs, les consommateurs primaires et les consommateurs de niveau supérieur
- réseau alimentaire
- un réseau de relations trophiques (alimentaires) entre les producteurs, les principaux consommateurs et les consommateurs de haut niveau au sein d'un écosystème
- réseau alimentaire de pâturage
- un type de réseau trophique dans lequel les producteurs sont soit des plantes terrestres, soit du phytoplancton dans l'eau ; souvent associé à un réseau trophique détritique au sein du même écosystème
- productivité primaire brute
- la vitesse à laquelle les producteurs de photosynthèse incorporent l'énergie du soleil
- productivité primaire nette
- l'énergie qui reste dans les producteurs après prise en compte de la respiration et de la perte de chaleur des organismes
- photoautotrophe
- un organisme qui utilise la lumière solaire comme source d'énergie pour synthétiser ses propres molécules alimentaires
- consommateur principal
- le niveau trophique qui tire son énergie des producteurs d'un écosystème
- producteur
- niveau trophique qui tire son énergie de la lumière solaire, de produits chimiques inorganiques ou de matières organiques mortes ou en décomposition
- résilience (écologique)
- la vitesse à laquelle un écosystème retrouve son équilibre après avoir été perturbé
- résistance (écologique)
- la capacité d'un écosystème à maintenir son équilibre malgré les perturbations
- consommateur secondaire
- un niveau trophique dans un écosystème, généralement un carnivore qui se nourrit d'un consommateur principal
- consommateur tertiaire
- un niveau trophique dans un écosystème, généralement des carnivores qui mangent d'autres carnivores
- niveau trophique
- la position d'une espèce ou d'un groupe d'espèces dans une chaîne alimentaire ou un réseau alimentaire