101-SN2_-_07_Ecosystemes

Présentation 7

• Écosystèmes
    - Palétuviers dans un écosystème de type mangrove au Cameroun (Julien Guimond, 2008)

Les écosystèmes

• Définition : Un écosystème est un ensemble dynamique formé par tous les organismes d’une communauté (biocénose) et tous les éléments non-vivants (biotope) en interaction dans une région, formant un tout plus ou moins homogène, capable de se perpétuer dans le temps, de manière autonome.

• Limites de l'écosystème : Les limites d’un écosystème ne sont pas précises.

• Caractéristiques :
    - Les écosystèmes sont ouverts les uns sur les autres. Par exemple, il n’existe pas de frontière infranchissable entre la forêt mixte du sud du Québec et la forêt de conifères du nord ; la transition entre les deux est progressive.
    - Les organismes d’une rivière, comme les grenouilles, ne s’arrêtent pas à la limite de l’eau ; la bande riveraine fait partie de cet écosystème.
    - Il n’y a pas de taille scientifique fixe pour un écosystème.
    - Un écosystème peut être petit, comme une souche d’arbre en décomposition, ou grand, comme un lac ou une forêt ; tous les écosystèmes forestiers n’ont pas la même taille.

Dynamique de l’énergie

• Source d'énergie : Le soleil fournit, sous forme d’énergie lumineuse, l’énergie à tous les écosystèmes de la planète, terrestres et aquatiques, bien qu'il y ait beaucoup de perte.

• Données sur le rayonnement solaire :
    - Environ 50 % du rayonnement solaire est absorbé, réfracté ou réfléchi par les nuages et poussières de l’atmosphère.
    - Sur les 50 % qui atteignent la Terre, environ 99 % atterrissent sur des matières non-photosynthétiques (sol, roche, eau, glace, etc.).
    - Du 1 % qui arrive sur des organismes photosynthétiques, seule une partie est captée pour la photosynthèse par les pigments photosynthétiques.

• Importance de l'énergie solaire :
    - C’est suffisant pour soutenir tout le vivant, et plus encore.

• Photosynthèse :
    - L’énergie solaire est captée par les producteurs photoautotrophes, qui l’utilisent pour transformer des molécules inorganiques (CO2, H2O) en molécules organiques (PGAL).
    - L'organisme photosynthétique peut soit :
      - Dégrader le PGAL pour former de l'ATP par respiration cellulaire pour son propre fonctionnement.
      - Utiliser le PGAL comme matière première pour des structures physiques, comme la paroi de cellulose.

• Dépendance énergétique : Toutes les espèces dépendent de cette fixation d’énergie.
    - Directement : les producteurs primaires utilisent le PGAL pour leur propre fonctionnement.
    - Indirectement : tous les autres organismes, faisant partie d'une chaîne trophique où il y a au moins un autre organisme qui mange des producteurs.

Productivité Primaire

• Définition : Dans un écosystème, la productivité primaire est la quantité de nouvelle énergie chimique générée par les producteurs d’une région pendant une période déterminée.

• Mesure : Cette valeur est exprimée en quantité de nouvelle énergie par unité de surface par unité de temps (J/m2/an) ou en masse de nouvelle biomasse de producteurs (g/m2/an).

• Estimation : Cette valeur est généralement estimée par la mesure du flux net de CO2 entrant ou sortant de l’écosystème, ou par mesure de la biomasse avant et après une certaine durée.
    - Une baisse du CO2 atmosphérique indique une augmentation de la biomasse des producteurs et vice-versa.

• Facteurs déterminants : La température et l’humidité sont les principaux facteurs qui déterminent la productivité primaire des écosystèmes terrestres.
    - La forêt tropicale humide est l'écosystème le plus productif.

• Dissipation d'énergie : L'énergie chimique générée par les producteurs est dissipée sous forme d'énergie thermique quand elle est utilisée pour diverses activités cellulaires, par les producteurs et les consommateurs qui les mangent.
    - Le solaire agit comme source d’énergie exogène pour maintenir le fonctionnement de l’écosystème.
    - Il s’agit donc d’un flux énergétique et non pas d’un cycle.

Efficacité d’assimilation

• Concepts clés : Quand un organisme mange un organisme de niveau trophique inférieur, seule l’énergie chimique transformée en biomasse peut nourrir le niveau trophique suivant.

• Pertes d'énergie : L’énergie non assimilée, ingérée mais pas utilisée, est perdue sous forme d’excréments. Cette énergie ne peut pas être récupérée par le niveau trophique suivant, perdue sous forme de chaleur lors du travail des décomposeurs.

• Utilisation de l’énergie : L’énergie assimilée est utilisée par l’organisme consommateur pour :
    - Fabriquer de l’énergie pour maintenir ses structures via la respiration cellulaire.
    - Générer de la nouvelle biomasse pour la croissance et la reproduction de l’organisme.

• Efficacité d’assimilation : C'est la fraction de l'énergie ingérée totale qui a été assimilée.
    - Exemple : Pour une chenille, rac{33 J + 67 J}{200 J} = 50 ext{%} d’efficacité d’assimilation.

• Différences entre organismes : Certains organismes ont une meilleure efficacité d’assimilation et récoltent plus de calories d’un même repas, ce qui leur permet de manger moins tout en étant productifs.

Efficacité écologique

• Définition : L’efficacité écologique est la fraction de l’énergie assimilée utilisée pour créer de la nouvelle biomasse.

• Nouveau biomasse : L’organisme s’agrandit ou se reproduit.

• Exemple de calcul : Pour une chenille, rac{33 J ext{ (nouvelle biomasse)}}{33 J + 67 J ext{ (énergie assimilée)}} = 33 ext{%} d’efficacité écologique.

• Organismes efficaces : Ceux qui minimisent les pertes d’énergie ont une meilleure efficacité écologique, bénéfique pour l'écosystème.
    - Exemple :
      - Oiseaux et mammifères : utilisent beaucoup d’énergie pour maintenir leur température corporelle, efficacité écologique faible (1 à 3%).
      - Poissons (ectothermes) : environ 10% d’efficacité écologique.
      - Insectes et microorganismes : très efficaces (en moyenne 40 % et plus).

• Productivité secondaire : C'est la quantité de nouvelle énergie chimique générée par les consommateurs primaires dans une région sur une période (J/m2/an).

Efficacité trophique

• Concept : Lorsqu’on passe d’un niveau trophique à un autre, seule une partie de l’énergie est transférée au niveau supérieur. C'est ce qu’on appelle l’efficacité trophique, le pourcentage de la productivité transféré au niveau trophique suivant.

• Estimation : Environ 10 % de l’énergie d'un niveau trophique est transférée, laissant environ 90 % perdue.
    - Raisons de pertes :
      - Une partie des matières organiques du premier niveau n'est pas ingérée par les organismes du niveau supérieur (exemple : les herbivores ne consomment qu'environ $rac{1}{6}$ de la production végétale globale).
      - Une partie des matières organiques ingérées n'est pas assimilée (éliminée par les excréments).
      - Les consommateurs utilisent l'énergie pour leurs fonctions métaboliques (respiration cellulaire).
      - Chaque processus métabolique perd une partie de l’énergie sous forme de chaleur, car aucun processus n’est à 100 % efficace.

• Résultat : En raison de ces pertes, la plupart des chaînes alimentaires ne comptent généralement que 4 ou 5 niveaux trophiques.

• Pyramide d'énergie : Réprésente visuellement la diminution progressive de l’énergie au fur et à mesure que l'on monte les niveaux trophiques.

Dynamique de la matière

• Source d'énergie : L’énergie des écosystèmes provient principalement du soleil.

• Schéma énergétique : Présente le flux d’énergie (flèches orangées) depuis le soleil, son passage à travers les niveaux trophiques, puis sa perte sous forme de chaleur.

• Importance de la matière : Nécessaire pour que les producteurs transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique.
    - Cycle de la matière (flèches bleues) : passage entre formes organiques et inorganiques.

• Rejets de matière : Même avant la mort, tous les organismes rejettent des molécules inorganiques (CO2, H2O, minéraux) dans leur environnement.

• Interactions : Tous les organismes fournissent de la matière inorganique qui retourne aux producteurs, principalement par les décomposeurs.

• Cycle de la matière : Il s’agit d’un cycle où tout est transformé et recyclé, à la différence de l’énergie qui est perdue.
    - Pas de partage habituel de matière entre écosystèmes, mais des flux peuvent se produire.
    - Les humains peuvent déséquilibrer les écosystèmes par des flux importants de matière (ex.: des zones agricoles vers les citadins).

Cycles biogéochimiques

• Éléments clés : L’énergie solaire est abondante, mais la matière est limitée dans un écosystème; donc, la vie repose sur le recyclage des éléments chimiques.

• Définition : Un cycle biogéochimique est l’ensemble des réactions de transport et de transformation d’une substance chimique à travers les différents réservoirs terrestres.

• Mobilité des substances :
    - Une substance peut voyager à travers plusieurs écosystèmes.
    - Plusieurs facteurs biotiques et abiotiques influencent ces cycles.
    - La substance passe alternativement entre le vivant et le non-vivant, entre formes disponibles et indisponibles.

• Échelles des cycles :
    - Certains éléments ont des cycles planétaires (carbone, oxygène, azote), d'autres sont d'échelle locale (calcium, phosphore, magnésium, potassium).

• Temps de cycle : Les substances peuvent être dégagées sous forme gazeuse dans des conditions spécifiques (ex. : éruptions volcaniques) mais ces occurrences sont rares.

Cycle de l’eau

• Importance de l'eau : Bien que l’eau ne soit pas une molécule organique, ses propriétés en font une molécule essentielle à la vie.

• Distribution :
    - Océans : environ 97 %.
    - Glaciers et calottes polaires : environ 2 %.
    - Lacs, cours d’eau, nappes d’eau souterraines : environ 1 %.
    - Autres réservoirs (atmosphérique, organismes vivants) : négligeable.

• Processus principaux :
    - Évaporation et condensation.
    - Précipitations.
    - Percolation (passage à travers le sol) et ruissellement.
    - Évapotranspiration (évaporation d'eau des végétaux, surtout au niveau des feuilles).

Cycle du carbone

• Carbone : Constitue la charpente des molécules organiques.

• Réservoirs de carbone : Plus de 99 % du carbone terrestre est piégé sous forme de carbonates dans le réservoir géologique, indisponible pour le vivant. Le carbone disponible se trouve :
    - Dans les roches sédimentaires.
    - Dans l’atmosphère (CO2).
    - Dans la biomasse.
    - Dans les sédiments aquatiques.
    - Dissous dans les océans (CO2, CO32-, HCO3-, carbone organique).

• Processus principaux :
    - Photosynthèse et chaînes trophiques.
    - Respiration cellulaire.
    - Décomposition.
    - Pyrolyse anaérobique (formation des combustibles fossiles).
    - Combustion.

Cycle de l’azote

• Importance de l'azote : Essentiel pour la synthèse de l’ADN et des protéines.

• Disponibilité : Principalement dans l’atmosphère et aussi dans le sol, les sédiments aquatiques et la biomasse.

• Principaux processus :
    - Fixation de l’azote atmosphérique (N2 en NH3 et NH4+).
    - Décomposition, qui libère du NH4+.
    - Nitrification : transformation du NH4+ en NO2- (nitrite) et NO3- (nitrate).
    - Dénitrification : transformation du NO3- en N2 atmosphérique.
    - Combustion.
    - Lessivage par les eaux de ruissellement et de percolation.

Cycle du phosphore

• Importance du phosphore : Élément chimique essentiel, notamment pour la production d’énergie (ATP) dans les cellules.

• Caractéristiques du cycle : Pas de composante gazeuse significative, cycle principalement sédimentaire.

• Réservoirs de phosphore : Principalement dans le sol (réservoir géologique), les sédiments marins, dans l’eau et dans la biomasse.

• Processus principaux :
    - Désagrégation des roches par érosion ou exploitation humaine.
    - Ruissellement, dissolution et lessivage.
    - Absorption par les producteurs ou consommateurs.
    - Décomposition par des détritivores.
    - Sédimentation.
    - Soulèvement géologique.

Le climat terrestre

• Définition : Ensemble des conditions météorologiques à long terme, propres à une région.

• Météo : État de l’atmosphère à un moment donné et un endroit précis.

• Influence sur la biologie : Le climat est le principal facteur influençant la répartition des organismes sur la planète.

• Facteurs abiotiques :
    - Température.
    - Précipitations.
    - Lumière.
    - Vent.

Intensité de la lumière solaire

• Variation en fonction de la latitude : Latitude varie de 0 (équateur) à 90° (pôles).

• Conséquences climatiques :
    - Rayons solaires frappent directement au niveau des tropiques, donc ces régions sont plus chaudes.
    - Rayons frappent obliquement aux latitudes élevées, entraînant une énergie plus diffuse et des températures plus froides.

Le vent

• Circulation d'air : L'intensité de la lumière solaire aux différentes latitudes crée un système de circulation d’air et de précipitations à l’échelle planétaire.

• Processus à l'équateur :
    - Évaporation des masses d’eau.
    - L’air chaud s’élève, se refroidit et provoque des précipitations équatoriales.
    - L'air sec descend autour de 30° latitude, contribuant à des zones sèches entre l’équateur et le 30e degré.

• Effet Coriolis : Les vents semblent adopter une trajectoire courbe car les points de référence sur Terre tournent à des vitesses différentes avec la latitude.

Inclinaison de la Terre

• **Inclinaison **: L'axe incliné de la Terre crée des cycles saisonniers de la photopériode (durée d’éclairement quotidien).

• Impact sur les saisons : La distance entre la Terre et le soleil n'affecte pas les saisons ; c'est l'inclinaison de la Terre qui change l'angle d'incidence des rayons.

Courants marins

• Causes : Forces de marée, rotation de la Terre, vents, différences de température et de salinité (influencent la densité de l'eau).

• Impact climatique : Affectent le climat des environnements côtiers tant aquatiques que terrestres.

• Chaleur spécifique de l'eau : Capacité d'une substance à accumuler de l'énergie thermique.

Les montagnes

• Influence sur l'air : L’air humide qui monte rencontre la montagne, se refroidit et provoque des précipitations côté côtier, entraînant des écosystèmes humides.

• Effet de foehn : Côté opposé, le vent descendant est sec, créant des milieux désertiques ou de prairies sèches.

Les biomes

• Définition : Ensembles relativement homogènes d’écosystèmes caractérisés par un type de végétation particulière (terrestres) ou par un milieu physique (aquatiques).
    - Nommés selon leurs caractéristiques physiques et climatiques.

• Caractéristiques des biomes : Varient selon les niches écologiques et la pression de sélection, entraînant l'évolution des espèces.

Climatogramme

• Définition : Représentation graphique des températures et des précipitations annuelles moyennes dans les biomes.

• Importance des éléments climatiques : Les températures et précipitations déterminent la distribution des régimes climatiques sur la planète.

Biomes terrestres

• Types de forêts :
    - Forêt tropicale humide : Beaucoup de précipitations, température élevée, stratification verticale des niches écologiques.
      - Avantages : Végétaux adaptés à la chaleur, animaux arboricoles.
    - Forêt décidue : Précipitations moyennes, saisons distinctes, adaptation des organismes à l’hiver.
    - Forêt de conifères (taïga) : Faibles précipitations, hiver froid, feuilles en aiguilles pour minimiser la perte d'eau.

Prairies et Toundra

• Prairie : Exposée aux vents, fluctuations saisonnières, plantes adaptées aux sécheresses fréquentes.

• Toundra : Régions froides, peu de précipitations, sol gelé, adapté aux conditions extrêmes.

• Déserts : Caractérisés par une faible quantité de précipitations, plantes avec adaptations néologiques (tissus charnus).

Biomes aquatiques

• Classification : Basés sur le milieu physique et chimique (eau douce et eau salée).
    - Stratifications : zones euphotique, aphotique, pélagique, benthique, abyssale.

• Stratification de la température : Eaux superficielles plus chaudes en été, avec thermocline en profondeur.
    - Cette stratification influence la dynamique communautaire aquatique.

• Interaction avec milieux terrestres : Cours d’eau, estuaires, zones humides, ces zones jouent un rôle crucial dans l'écosystème.

Conclusion

• Recapitulatif des processus vitaux : Energie, matière et cycles biogéochimiques s'entrelacent pour maintenir la vie dans les écosystèmes.

• Rôle crucial des biomes : Chaque biome joue un rôle distinct mais interconnecté dans l'écosystème global.

Références

• Campbell p.1283, retour sur le concept 52.1, question #1.

• Campbell p.1286, retour sur le concept 52.2, questions #1, #2 et #3.

• Campbell p.1291, retour sur le concept 52.3, questions #1 et #2.

• Campbell p.1353, retour sur le concept 54.4, question #1.

• Campbell p.1360, retour sur le concept 55.1, questions #1, #2 et #3.

• Campbell p.1364, retour sur le concept 55.2, question #1.

• Campbell p.1367, retour sur le concept 55.3, questions #1, #2 et #3.

• Campbell p.1374, retour sur le concept

L'écosystème est un concept fondamental en biologie et en écologie. Il est défini comme un ensemble dynamique formé par tous les organismes d’une communauté, aussi appelés biocénose, et tous les éléments non vivants de leur environnement, ou biotope. Cette interaction crée un système viable capable de perdurer dans le temps de manière autonome. Toutefois, il est important de noter que les limites d’un écosystème ne sont pas toujours précises. Par exemple, dans un environnement comme une rivière, les grenouilles ou d'autres organismes aquatiques ne se cantonnent pas aux rives. La bande riveraine, elle aussi, fait partie intégrante de cet écosystème.

Les caractéristiques des écosystèmes témoignent de leur complexité. Ils sont interconnectés, et chaque écosystème influe sur les autres. Par ailleurs, il n’existe pas de taille fixe pour un écosystème ; celui-ci peut varier considérablement, allant d'une petite souche d'arbre en décomposition à de vastes régions forestières ou lacustres.

La dynamique de l’énergie joue également un rôle clé dans le fonctionnement des écosystèmes. En effet, le soleil est la principale source d’énergie pour tous les écosystèmes, qu'ils soient terrestres ou aquatiques. Cependant, il est intéressant de noter qu’environ 50 % du rayonnement solaire est absorbé, réfracté ou réfléchi par les atmosphères et les nuages, ne laissant qu'une fraction de ce rayonnement atteindre la surface de la Terre. Sur cette fraction, seulement environ 1 % est capté par les organismes photosynthétiques, qui utilisent cette énergie pour transformer des molécules inorganiques en molécules organiques. Cela se produit principalement par le processus de photosynthèse, où les producteurs photoautotrophes jouent un rôle crucial en soutenant toute la chaîne alimentaire.

La productivité primaire est un concept essentiel qui mesure la quantité de nouvelle énergie chimique produite par ces producteurs dans un écosystème pendant une période donnée. Cette productivité peut être mesurée en joules par mètre carré par an ou en masse de biomasse de producteurs. Des études montrent notamment que la température et l’humidité sont des facteurs déterminants de cette productivité. Par exemple, la forêt tropicale humide est souvent considérée comme l’écosystème le plus productif en raison de son climat idéal.

D'autre part, il est essentiel de comprendre que l'énergie générée par les producteurs n'est pas complètement conservée. En fait, une partie de cette énergie est toujours dissippée sous forme de chaleur par diverses activités cellulaires. C'est un flux énergétique continu au sein de l'écosystème, contrairement à la matière qui, elle, fait l'objet d'un cycle.

Le concept d'efficacité d’assimilation est également important ; lorsque des organismes consomment des proies, seule une fraction de leur énergie est transformée en biomasse utilisable pour le niveau trophique suivant. Par exemple, une partie est perdue sous forme de chaleur ou dans les excréments, ce qui démontre que la chaîne alimentaire ne peut généralement comporter que 4 à 5 niveaux trophiques.

La dynamique de la matière, quant à elle, est un processus continu qui implique le recyclage des éléments chimiques essentiels à la vie. Les cycles biogéochimiques, qui incluent le cycle de l’eau, du carbone, de l’azote et du phosphore, sont vitaux pour le fonctionnement des écosystèmes. Par exemple, l'eau, bien que non organique, est fondamentale pour la vie en raison de ses propriétés uniques.

Enfin, les activités humaines posent des menaces importantes à ces écosystèmes. La pollution, le changement climatique et la déforestation sont autant de facteurs qui déséquilibrent ces cycles naturels et mettent en péril la biodiversité. Par conséquent, la sensibilisation à l'importance des écosystèmes et à leur préservation devient essentielle. Nous devrions adopters des pratiques durables pour protéger ces précieux systèmes dont dépend notre vie.