Écologie : chapitre 5 : Flux, Énergie et Production

Quelle est la différence fondamentale entre flux d’énergie et cycle de matière ?

Énergie : circule dans un seul sens. Elle entre (Soleil), est transformée (photosynthèse), puis se dissipe progressivement en chaleur à chaque transformation. Elle ne “revient” pas sous une forme réutilisable par les organismes.

Matière : circule en cycle fermé (à l’échelle de la biosphère) grâce aux décomposeurs et aux processus biogéochimiques. Exemple : le carbone passe de CO₂ → biomasse → CO₂ ; l’azote revient via minéralisation, nitrification…

Décris le trajet général de l’énergie dans un écosystème (niveaux trophiques).

L’énergie entre majoritairement par le Soleil, puis :

1. Producteurs primaires (photoautotrophes : plantes, algues, cyanobactéries) captent la lumière et la transforment en énergie chimique (glucides).

2. Consommateurs primaires (herbivores) mangent la biomasse végétale.

3. Consommateurs secondaires/tertiaires (carnivores/omnivores) mangent les herbivores puis d’autres carnivores.

4. Décomposeurs (bactéries, champignons) utilisent la matière organique morte (cadavres, excréments, litière).
   À chaque étape : une part de l’énergie est stockée en biomasse, mais une grande part est perdue via respiration → chaleur.

Explique la 1ʳᵉ loi de la thermodynamique et son sens en écologie.

La 1ʳᵉ loi dit que l’énergie se conserve : elle ne se crée pas et ne se détruit pas, elle se transforme.

En écologie, l’énergie lumineuse du Soleil devient énergie chimique (photosynthèse) puis énergie mécanique, thermique, chimique (activité, métabolisme)

La quantité totale d’énergie reste “la même”, mais sa forme change.

Explique la 2ᵉ loi de la thermodynamique et son impact sur les chaînes trophiques.

La 2ᵉ loi dit que chaque transformation augmente l’entropie (désordre) : une partie de l’énergie devient moins utilisable et se dissipe sous forme de chaleur.

Conséquence majeure : l’énergie disponible diminue fortement en montant les niveaux trophiques, ce qui explique la rareté des grands prédateurs, la limitation du nombre de niveaux trophiques, la forme “en pyramide” des bilans énergétiques.

Pourquoi dit-on que la photosynthèse est le moteur de l’ordre biologique ?

Parce qu’elle transforme une énergie diffuse (lumière) en énergie chimique stockée dans des molécules organisées (glucides).

Elle “crée” localement de l’ordre (matière vivante structurée) en stockant l’énergie dans la biomasse, alors que la respiration fait l’inverse (libère énergie + chaleur).

Mot-clé : néguentropie (réduction locale d’entropie), possible car l’écosystème est ouvert (apport permanent d’énergie solaire).

Pourquoi la photosynthèse est-elle considérée comme “peu efficace” ?

Parce que sur toute l’énergie solaire qui arrive :

• une partie est réfléchie ou transmise

• une partie est dissipée en chaleur

• une partie sert au fonctionnement de la plante (maintenance, réactions, respiration)

Au final, seule une petite fraction devient réellement de la biomasse nouvelle : souvent quelques % (<6% pour la biomasse, et parfois 1–2% à l’échelle de l’écosystème selon conditions).

Définis biomasse (B) et explique ce que ça mesure réellement.

La biomasse = quantité totale de matière vivante présente à un instant T (souvent exprimée en masse de carbone).

Unités typiques : g C/m², kg C/ha.

C’est un stock (photo instantanée), pas une vitesse.

Définis production (P) et explique la différence avec biomasse.

La production = quantité de biomasse produite par unité de surface et de temps.

Unités : g C·m⁻²·an⁻¹, ou t·ha⁻¹·an⁻¹.

Biomasse = combien il y a, production = à quelle vitesse ça se fabrique.

Qu’est-ce que la productivité (P/B) et comment l’interpréter ?

La productivité = P/B : c’est un indicateur de vitesse de renouvellement du stock.

Unité : an⁻¹ (ou %/an).

Exemple : P/B = 2 an⁻¹ signifie que l’écosystème renouvelle une quantité de biomasse équivalente à 2 fois sa biomasse chaque année (fort turnover).

Qu’est-ce que le turnover (B/P) et ce que ça dit sur l’écosystème ?

Le turnover = B/P = temps nécessaire pour renouveler totalement la biomasse.
Unité : du temps (jours, mois, années).

• Forêt : B grande, P relativement lente → turnover long

• Prairie/algues : B plus faible, P rapide → turnover court

Définis la production primaire brute (PB/PPB).

La production primaire brute = toute l’énergie (ou carbone) fixée par la photosynthèse.

Elle inclut ce qui servira à fabriquer de la biomasse ET ce qui sera utilisé ensuite en respiration par la plante. C’est le “total capté”.

Définis la production primaire nette (PN/PPN) et donne l’équation clé.

La production primaire nette = part de l’énergie fixée qui reste réellement stockée en biomasse nouvelle (croissance) et qui est disponible pour les herbivores et les décomposeurs.

Équation : PB = PN + R

où R = respiration (maintenance, fonctionnement).

Donc : PN = PB − R.

Pourquoi la PN est-elle plus importante écologiquement que la PB ?

Parce que c’est la PN qui représente l’énergie réellement accessible aux autres niveaux trophiques : herbivores (consommation), décomposeurs (litière, matière morte).

La PB inclut une part qui n’alimente personne car elle est “consommée” par la plante elle-même via respiration.

Explique l’idée “Production ≥ Consommation” et ce qui se passe si ce n’est pas le cas.

Pour qu’un écosystème maintienne sa biomasse dans le temps, il faut que la production (surtout la PN) suffise à compenser la consommation totale (respiration, pertes, exportations, consommation par les organismes).

Si la consommation dépasse la production, on “tape dans le stock” : biomasse diminue → épuisement des ressources → déstabilisation (déclin des populations, simplification trophique).

Définis la production secondaire (chez les hétérotrophes).

La production secondaire = vitesse à laquelle les consommateurs (herbivores, carnivores, omnivores) transforment l’énergie de la nourriture en biomasse nouvelle (croissance + reproduction).

Ils ne “fixent” pas d’énergie solaire : ils dépendent de la matière organique produite par d’autres.

Explique les étapes : ingestion, assimilation, respiration, production nette chez un herbivore.

Quand un herbivore mange :

1. Ingestion : nourriture entre.

2. Non assimilé : une part ressort en excréments (perte pour lui, mais ressource pour décomposeurs).

3. Assimilé : ce qui est absorbé devient énergie disponible.

4. Dans l’assimilé :

   • une part part en respiration/activité (chaleur)

   • le reste devient production secondaire nette (croissance, reproduction), disponible pour le prédateur.

Donne l’équation analogue à PB = PN + R pour les consommateurs.

PSB = PSN + R

PSB = production secondaire “brute” (souvent liée à l’énergie assimilée)

PSN = production secondaire nette (biomasse produite)

R = respiration (maintenance, activité, thermorégulation, etc.)

Pourquoi les rendements énergétiques entre niveaux trophiques sont-ils faibles ?

Parce qu’à chaque niveau une partie n’est pas mangée (biomasse morte), une partie est mangée mais non assimilée (excréments), une grande partie de l’assimilé part en respiration (chaleur).

Donc seule une petite fraction devient de la biomasse nette transférable au niveau suivant.

Qu’est-ce que la production nette totale d’un écosystème (PNT) et comment l’interpréter ?

La PNT représente le “bilan” : ce qui reste après la respiration totale de l’écosystème.

Si PNT = 0 → équilibre : production compense consommation/respiration.

Si PNT > 0 → accumulation de biomasse/stock (ex. croissance, stockage carbone).

Si PNT < 0 → le système consomme plus qu’il ne produit (déclin du stock).

Quelle est la première équation du bilan énergétique d’un consommateur (ingestion) et que signifient les termes ?

I = A + NA

I (ingestion) : énergie/matière organique totale consommée.

A (assimilation) : fraction réellement absorbée et utilisable par l’organisme (énergie qui “passe” dans l’organisme).

NA (non assimilé) : fraction rejetée (fèces + urine/azote chez certains) → donc perdue pour l’organisme, mais ressource pour les décomposeurs/détritivores.

Quelle est la deuxième équation (répartition de l’assimilé) et son sens biologique ?

A = PN + R

PN (production secondaire nette) : énergie stockée en biomasse nouvelle (croissance + reproduction).

R (respiration) : énergie dépensée pour l’entretien (métabolisme basal, locomotion, thermorégulation, activité…).

Pourquoi dit-on que la production secondaire brute (PSB) correspond à A et pas à I ?

Parce que PSB = énergie assimilée, c’est-à-dire la fraction réellement utilisable par l’organisme.

I inclut des choses non digérées/non absorbées (cellulose, lignine, etc.) → ça sort en NA. Donc, si tu prends I comme “production brute”, tu surestimes ce qui est réellement disponible pour la physiologie et la croissance.

Qu’est-ce que le rendement d’assimilation ? Que mesure-t-il ?

Rendement d’assimilation = A/I
Il mesure l’efficacité digestive : la capacité à extraire/absorber l’énergie contenue dans la nourriture.

• Plus il est élevé → meilleure digestion/assimilation.

• Plus il est faible → beaucoup part en NA.

Il est souvent plus élevé chez les carnivores que chez les herbivores

• Carnivores : nourriture riche en protéines/lipides, tissus animaux plus facilement digérés → A/I élevé (~80–90%).

• Herbivores : parois végétales riches en cellulose + lignine difficiles à dégrader → A/I plus faible (~40–60%) (variable selon ruminants/symbioses).

Qu’est-ce que le rendement de production nette ?

PN/A mesure la capacité à transformer l’énergie assimilée en biomasse (croissance + reproduction).

• Si PN/A élevé → l’énergie assimilée sert surtout à fabriquer des tissus (croissance efficace).

• Si PN/A faible → beaucoup d’énergie assimilée part en respiration R (coût métabolique élevé).

Pourquoi PN/A est souvent plus élevé chez les ectothermes que chez les endothermes ?

Ectothermes/hétérothermes : pas de dépense massive de thermorégulation → R plus faible → une grande part de A peut aller vers PN.

Endothermes/homéothermes : maintien température constante + activité souvent élevée → R énorme → PN/A diminue.

Qu’est-ce que le rendement écologique global (PN/I) et pourquoi c’est important ?

PN/I = conversion totale de ce qui est mangé en biomasse nouvelle.

C’est le rendement “écologique” le plus parlant, car il dit sur 100 unités de nourriture ingérée, combien deviennent de la biomasse disponible pour le niveau trophique supérieur ?

Il intègre à la fois : pertes digestives (NA) et pertes respiratoires (R)

Il explique la diminution d’énergie entre niveaux trophiques (proche de la logique “≈10%” dans beaucoup de cas).

Qu’est-ce que le rapport R/PN et comment l’interpréter ?

R/PN compare l’énergie dépensée à l’énergie stockée.

• R/PN élevé : l’organisme dépense énormément pour survivre → peu d’énergie disponible pour produire de la biomasse. Typique des homéothermes.

• R/PN faible : coût métabolique faible → conversion efficace en croissance. Typique d’organismes en croissance rapide ectothermes (ex. chenilles).

Plus R/PN est grand, plus l’organisme est “cher” à maintenir.

Compare belette et chenille : quelles différences expliquent leurs rendements énergétiques ?

Belette : homéotherme + carnivore + très active →

• A/I élevé (digestibilité viande)

• PN/A faible (énormes dépenses en R : thermorégulation + activité)

• R/PN très élevé

• PN/I faible (~5–10%)

Chenille : hétérotherme + herbivore + métabolisme lent →

• A/I faible (cellulose peu digeste)

• PN/A très élevé (faible R, croissance massive)

• R/PN faible

• PN/I plus élevé (~15–30%)

“La belette a un excellent rendement d’assimilation, mais son coût de maintenance est énorme à cause de l’homéothermie et de l’activité, donc son rendement écologique global est faible. La chenille assimile mal la plante, mais comme elle respire peu et investit surtout dans la croissance, son PN/I est plus élevé.”

Application chiffrée : la vache

Données : I=730 ; A=254 ; PN=30 ; R=244 (unités cohérentes)

1. Calcule NA et vérifie les équations.

2. Calcule le rendement d’assimilation A/I pour la vache et interprète.

3. Calcule le rendement de production nette PN/A et interprète.

4. Calcule le rendement écologique global PN/I et interprète (lien “règle des 10%”).

5. Calcule R/PN et donne sa signification.

1. Calcule NA et vérifie les équations.

NA = I − A = 730 − 254 = 476

Vérification : A = PN + R → 254 = 30 + 244

2. Calcule le rendement d’assimilation A/I pour la vache et interprète.

A/I = 254 / 730 = 0,3479… ≈ 0,35 (35%)

Interprétation : rendement assez faible → nourriture végétale difficile (cellulose), malgré rumination/symbiotes, une grosse fraction part en NA.

3. Calcule le rendement de production nette PN/A et interprète.

PN/A = 30 / 254 = 0,1181… ≈ 0,12 (12%)

Interprétation : sur l’énergie assimilée, seule ~12% devient biomasse ; le reste sert surtout à R (maintenance, thermorégulation).

4. Calcule le rendement écologique global PN/I et interprète (lien “règle des 10%”).

PN/I = 30 / 730 = 0,0411… ≈ 0,04 (4%)

Interprétation : très faible conversion ingestion → biomasse, cohérent avec l’idée que peu d’énergie passe au niveau trophique suivant.

5. Calcule R/PN et donne sa signification.

R/PN = 244 / 30 = 8,133… ≈ 8,1

Interprétation : l’organisme dépense ~8 fois plus en respiration/maintenance que ce qu’il stocke en biomasse. Typique d’un homéotherme.

Pourquoi une chenille a souvent PN/A élevé, alors qu’un phasme adulte peut avoir PN/A faible ?

Parce que le stade de vie change l’allocation d’énergie :

• Chenille (larve) : objectif = croissance rapide → énergie assimilée dirigée vers PN (tissus).

• Phasme adulte : croissance faible ; énergie dirigée vers entretien + reproduction (œufs) + activité → PN (croissance) plus faible, donc PN/A baisse.

Quelle est la différence entre PPB (ou PB) et PPN ?

PPB / PB (production primaire brute) : tout le carbone/énergie fixé(e) par photosynthèse.

PPN : la partie qui reste après la respiration des producteurs, ce qui devient biomasse nouvelle + ce qui peut être mangé.

Formule : PPB = PPN + R (où R = respiration des producteurs).

C’est quoi la production primaire nette (PPN) à l’échelle planétaire ?

La PPN est la quantité de carbone (ou de biomasse) fixée par photosynthèse par les producteurs (plantes, algues, cyanobactéries) moins ce que ces producteurs dépensent en respiration.

Elle représente donc la quantité réellement stockée en nouvelle biomasse (croissance : feuilles, bois, racines, algues…)

Et c’est surtout l’énergie disponible pour soutenir les consommateurs (herbivores, puis carnivores) et alimenter les décomposeurs.

Pourquoi la PPN mondiale est une estimation “imparfaite” ?

Parce qu’on ne peut pas mesurer directement la photosynthèse partout, tout le temps.

Les estimations combinent mesures locales (biomasse, échanges de CO₂), extrapolations à grande échelle, et aujourd’hui souvent des approches globales (modèles + observations). Donc c'est un ordre de grandeur, pas une valeur “exacte”.

Quelle est la répartition classique de la PPN mondiale entre continents et océans ?

La production primaire nette de la planète, exprimée en matière végétale sèche, serait de 160-170*109 t/an.

~2/3 de la PPN mondiale = écosystèmes terrestres

~1/3 = écosystèmes aquatiques

Paradoxe : l’océan couvre ~70% de la surface, mais la PPN totale est plus faible.

Pourquoi les continents produisent plus que les océans en PPN totale ?

Biomasse végétale énorme sur terre (arbres, racines, litière) → stock important.

Nutriments : les sols peuvent être riches/localement fertilisés, tandis que l’océan ouvert (pélagique) est souvent oligotrophe (pauvre en nutriments).

Organisation/structure : les forêts exploitent la lumière via une stratification (canopée, sous-bois) et stockent du carbone dans le bois.

Pourquoi certaines zones marines explosent en productivité alors que l’océan ouvert est faible ?

Parce que dans ces zones (côtes, estuaires, upwellings), il y a apport ou remontée de nutriments (N, P, parfois Fe), lumière suffisante dans la zone photique, et donc bloom phytoplanctonique → forte PPN locale.

Explique la différence entre “production totale” et “production par unité de surface”.

Production totale : somme sur toute la surface d’un biome/océan/continent.

Production par unité de surface : intensité locale (ex : tC/ha/an).

Un milieu peut avoir faible production/m² mais une énorme production totale s’il couvre une surface gigantesque (ex : océan pélagique).

Définis Biomasse (B), Production (P) et Productivité (P/B).

Biomasse (B) : quantité de matière vivante à un instant T → stock (ex : gC/m²).

Production (P) : quantité produite par temps → flux (ex : gC/m²/an).

Productivité (P/B) : vitesse relative de renouvellement du stock (an⁻¹).

Qu’est-ce que le turnover (temps de résidence) et quelle formule utiliser ?

Le turnover (T) = temps moyen pour renouveler le stock de biomasse/carbone.

Formule : T = B / P

Si T grand → carbone stocké longtemps (bois, tourbe).

Si T petit → carbone recyclé vite (phytoplancton : qui a un turnover ultra court : il se renouvelle en jours/semaines.).

Compare forêt tropicale vs océan pélagique en dynamique B/P.

Forêt tropicale : B très grande (bois) + P élevée mais pas “instantanée” → turnover long (années/décennies).

Océan pélagique : B minuscule + P “modeste par m²” mais très étendue + renouvellement rapide → turnover court (jours).

Terre = stockage ; mer = recyclage rapide.

C’est quoi un upwelling ?

Une remontée d’eaux profondes froides et riches en nutriments vers la surface (zone photique).

Quand le vent souffle parallèlement à la côte, il pousse l’eau de surface ; avec la rotation terrestre, l’eau de surface est déviée vers le large (transport d’Ekman). L’eau de surface part = “vide” à combler → remontée d’eau profonde.

Pourquoi les eaux profondes sont riches en nutriments ?

Parce que la matière organique produite en surface (phytoplancton) est consommée, excrétée, puis une partie sédimente sous forme de “neige marine” et est reminéralisée par bactéries/décomposeurs en profondeur → nutriments s’accumulent (N, P, parfois Fe, Si).

Pourquoi les récifs coralliens peuvent être très diversifiés mais pas forcément les champions de PPN globale ?

Très grande diversité → ressources réparties entre beaucoup d’acteurs, forte complexité trophique.

Le récif est souvent en eaux pauvres en nutriments (oligotrophes) : il fonctionne grâce au recyclage interne + symbioses.

Productivité locale bonne, mais surtout stabilité/complexité et recyclage efficace.

Pourquoi les agroécosystèmes ont une forte production mais une faible biomasse ?

Parce que l’humain maximise les intrants (eau, nutriments, sélection variétale), et récolte régulièrement : la biomasse ne s’accumule pas (stock faible). On booste le flux (P), on réduit le stock (B).

Pourquoi les forêts tropicales sont-elles des écosystèmes très importants pour la productivité globale de la planète ?

Les forêts tropicales présentent une production nette élevée (environ 19 t·ha⁻¹·an⁻¹) et une biomasse très importante (environ 400 t·ha⁻¹). Ce qui signifie qu’elles stockent de grandes quantités de carbone.

Elles couvrent aussi une surface considérable de la planète.

Ces deux facteurs expliquent qu’elles contribuent fortement à la production primaire globale de la Terre.

Pourquoi les océans pélagiques jouent-ils un rôle majeur dans la production primaire mondiale ?

Les océans pélagiques ont une production nette relativement faible par unité de surface (environ 1,25 t·ha⁻¹·an⁻¹) et une biomasse très faible (environ 0,03 t·ha⁻¹).

Cependant, ils couvrent une surface immense de la planète (plus de 40 % de la surface des écosystèmes).

Ainsi, malgré une faible productivité par unité de surface, leur surface gigantesque entraîne une contribution très importante à la production primaire globale de la planète.

Quels écosystèmes présentent les plus fortes productivités par unité de surface ?

Certains écosystèmes ont une productivité très élevée par unité de surface :

• Récifs coralliens et herbiers : environ 25 t·ha⁻¹·an⁻¹

• Estuaires : environ 15 t·ha⁻¹·an⁻¹

• Marécages : environ 20 t·ha⁻¹·an⁻¹

Ces milieux sont extrêmement productifs car ils disposent d’un apport important en nutriments, d’une forte disponibilité en lumière, de conditions favorables au développement des producteurs primaires.

Quels écosystèmes présentent une productivité primaire faible et pourquoi ?

Certains écosystèmes ont une productivité très faible :

• Déserts extrêmes et zones polaires : environ 0,03 t·ha⁻¹·an⁻¹

• Toundra : environ 1,4 t·ha⁻¹·an⁻¹

Cette faible productivité s’explique par des conditions environnementales défavorables : manque d’eau dans les déserts, températures très basses dans les zones polaires, saison de croissance très courte, faible activité biologique.

Qu’est-ce que la biomasse moyenne dans un écosystème ?

La biomasse moyenne correspond à la quantité totale de matière vivante présente dans un écosystème par unité de surface, généralement exprimée en tonnes par hectare (t·ha⁻¹).

Elle représente l’accumulation de matière organique dans les organismes vivants (plantes, animaux, micro-organismes).

Pourquoi les forêts et les marécages sont-ils importants pour le stockage de biomasse ?

Les forêts tropicales et les marécages possèdent une biomasse très importante. Cela signifie qu’ils accumulent une grande quantité de matière organique dans les arbres, racines, le sol, la matière végétale morte.

Cette accumulation de biomasse correspond également à un stockage important de carbone, car le carbone est fixé par la photosynthèse.

Qu’est-ce que le temps de résidence de l’énergie dans un écosystème ?

Le temps de résidence de l’énergie correspond au temps moyen pendant lequel l’énergie reste stockée sous forme de biomasse dans un écosystème avant d’être transférée dans la chaîne alimentaire ou dissipée.

Temps de résidence = Biomasse / Production nette

Dans les écosystèmes forestiers (comme les forêts tropicales ou tempérées), la biomasse est très importante. Cette grande quantité de biomasse signifie que l’énergie est stockée longtemps dans les organismes vivants (principalement les arbres).

Dans les écosystèmes aquatiques dominés par le phytoplancton la biomasse est très faible mais la production primaire est rapide. Le phytoplancton se renouvelle très rapidement et est rapidement consommé par les organismes marins. Ainsi, l’énergie reste stockée très peu de temps dans la biomasse.

Classer les grands types d’écosystèmes selon leur productivité primaire par surface (du plus élevé au plus faible).

1. Récifs coralliens et herbiers

2. Marécages

3. Estuaires

4. Forêts tropicales

5. Forêts tempérées

6. Savanes

7. Forêts boréales

8. Lacs et fleuves

9. Zones d’upwelling

10. Océan pélagique

11. Toundra

12. Déserts extrêmes et zones polaires