Structure et dynamique des écosystèmes - Maxicours

Structure et dynamique des écosystèmes

Objectifs
  • Décrire la structure des écosystèmes et des réseaux trophiques.
  • Étudier la production, le transfert et le recyclage de la matière organique (M.O.) dans la biocénose.
  • Comprendre l’intégration des écosystèmes dans les grands cycles géochimiques de la planète.
Points clés
  • Les producteurs primaires sont les êtres vivants qui produisent la M.O. au sein des écosystèmes. Ils sont à la base de toutes les chaînes alimentaires et donc du réseau trophique de l’écosystème.
  • Les consommateurs sont les êtres vivants qui absorbent la M.O. provenant d’autres êtres vivants.
  • Les détritivores sont les êtres vivants qui décomposent la M.O. morte et qui permettent son recyclage en sels minéraux utilisables par les producteurs primaires.
  • Il y a donc un recyclage de la M.O. en matière minérale. Le bilan de matière des sels minéraux est neutre, car ils retournent dans le milieu (dans les sols) après avoir traversé la biocénose.
  • Chaque échelon d’un réseau trophique représente une biomasse totale inférieure à l’échelon qui le précède, à cause de la perte de M.O. due à la respiration et au rejet des matières fécales. Ce principe est représenté par un modèle de pyramide trophique.
  • Les principaux réservoirs de biomasse sont constitués par la végétation et la M.O. stockée dans le sol.
  • Les prédateurs, ou zoophages, jouent un rôle primordial de régulation des populations de phytophages, dont ils se nourrissent. Ils exercent ainsi ce qu’on appelle la pression de prédation sur les populations de proies.
  • La diversité et la complexité des réseaux trophiques permettent la stabilité des dynamiques de populations au sein de l’écosystème.
  • Les écosystèmes sont reliés aux grands cycles des éléments chimiques de la planète. Ils échangent tout particulièrement des éléments chimiques (eau, CO2 et azote notamment) avec les grands réservoirs terrestres : l’atmosphère, l’hydrosphère et la géosphère.
Pour bien comprendre
  • Écosystèmes versus agrosystèmes
  • Les interactions au sein d’un écosystème
1. Structure des écosystèmes, transfert de la matière organique et réservoirs de biomasse
a. Producteurs primaires, consommateurs et décomposeurs

La productivité primaire est la quantité de matière organique (soit la biomasse) produite par an et par km² dans un écosystème. Cette matière organique est produite par les producteurs primaires (qui sont autotrophes) grâce à la photosynthèse. Il s’agit par exemple des arbres et de l’ensemble de la végétation dans un écosystème forestier, ou bien des algues et du phytoplancton dans un écosystème océanique.

Pour aller plus loin :
Il existe une forme connue d’écosystème où les producteurs primaires ne réalisent pas la photosynthèse : ce sont les écosystèmes des monts hydrothermaux, situés à l’aplomb des dorsales océaniques, où la production primaire est assurée par des bactéries chimiosynthétiques.

Les consommateurs primaires, c’est-à-dire les phytophages, regroupent les êtres vivants (généralement des animaux) qui se nourrissent des producteurs primaires. Ce sont donc des êtres vivants hétérotrophes.

Les consommateurs secondaires, quant à eux, se nourrissent des consommateurs primaires, ce qui fait d’eux des zoophages. Deux précisions sont à apporter :

  • On trouve des consommateurs tertiaires (se nourrissant de consommateurs secondaires) dans certains écosystèmes terrestres, mais leurs chaînes trophiques vont rarement au-delà, contrairement aux écosystèmes aquatiques où de nombreux échelons peuvent se superposer ;
  • Un même être vivant peut être à la fois consommateur primaire, secondaire et tertiaire (voire même producteur primaire) selon les ressources disponibles dans l’environnement.

La catégorie des décomposeurs est constituée par l’ensemble de la microfaune du sol, des champignons et des bactéries. Ils se nourrissent de la matière organique (feuilles et bois morts, matière fécale, cadavres...). Ils jouent un rôle primordial dans le recyclage de la matière présente dans les écosystèmes en minéralisant la matière organique morte.

On appelle réseau trophique les liens de consommation qu’entretiennent entre eux les organismes d’une biocénose, et par lesquels transitent l’énergie et la matière organique.

Exemple :

Source : Alain Gallien, académie de Dijon.
b. Transfert de matière et d'énergie dans les chaînes trophiques

Lorsqu’un être vivant en consomme un autre, il n’utilise pas toute la matière organique ingérée pour croître. Il y a en effet de nombreuses « pertes » dues, d’une part, à la matière non assimilée (évacuée sous forme de matière fécale) et, d’autre part, à la matière organique utilisée pour la respiration. Seule une faible fraction de la nourriture ingérée sert effectivement à la croissance de l’animal.

Exemple : devenir de la matière organique ingérée par un consommateur.
Pour un animal donné, 37,3 % de la nourriture ingérée est expulsée avec les excréments et 61 % est dégradée par la respiration. Seul 1,7 % est utilisée pour la croissance de l’organisme. Donc il faut 100 g de nourriture pour que cet animale ne grossisse que de 15,4 g.

Il y a donc une diminution de la biomasse totale présente dans chaque échelon à mesure que l’on monte dans le réseau trophique. La répartition décroissante de la biomasse au sein du réseau trophique est représentée par la pyramide trophique.

Exemple avec l'écosystème forestier
 Source : Banque de schémas SVT Dijon.
La biomasse des producteurs primaires dans une forêt est de 809 g/m2, tandis que celle des consommateurs primaires est de 37 g/m2. Le rapport est de (37/809)*100 = 4,57 %, c’est-à-dire que la biomasse des végétaux vaut plus de 20 fois celle des phytophages.Entre la biomasse des producteurs primaires et celle des consommateurs tertiaires, le rapport est de (1,5/809)*100 = 0,18 %. Les végétaux représentent donc plus de 5 000 fois la biomasse des super prédateurs.

De la même manière que la matière organique, l’énergie provenant du soleil se transmet dans l’ensemble de la biocénose, en se dissipant peu à peu sous forme d’énergie thermique par la respiration.

Exemple avec l'écosystème forestier

La biomasse est donc inégalement répartie dans les écosystèmes. Les principaux réservoirs de matière dans l'écosystème forestier sont composés des végétaux (majoritairement le bois des arbres), ainsi que du sol qui contient de grandes quantités de matière organique sous forme d’humus. En comparaison, l’ensemble des animaux ne représente qu’une faible fraction de la biomasse totale présente dans les écosystèmes terrestres.

Source : Pascal Combemorel, Planet Vie, Creative Commons.

Les plantes représentent le principal réservoir de matière organique.

c. Prédation et dynamique des populations

Une population désigne l'ensemble des individus d'une même espèce qui occupe simultanément le même milieu.

Les relations biotiques de consommation (prédation et parasitisme) jouent un rôle important dans la régulation et la stabilisation des populations des écosystèmes. Ainsi, les prédateurs limitent la prolifération des phytophages, ce qui a donc un effet positif sur les populations de végétaux. Ce mécanisme est d’ailleurs utilisé pour lutter contre les animaux ravageurs des cultures agricoles dans le cadre de la lutte biologique.

Exemple :
Les coccinelles sont de grands prédateurs. Elles limitent donc la prolifération des pucerons, insectes parasites potentiellement nuisibles pour les végétaux.

  Larve de coccinelle Harmonia axyridis se nourrissant de pucerons Aphis fabae.

Dans certains écosystèmes, il est possible d’observer des variations cycliques des populations de proies et de prédateurs. Ceci s’explique par l’interaction mutuelle des populations de proies et de prédateurs. Tant que les populations de proies sont abondantes par rapport au nombre de prédateurs, ceux-ci se multiplient dans l’écosystème. Mais si la pression de prédation devient trop forte, la population de proies diminue, car le nombre d’animaux tués est supérieur au nombre de naissances. Ce déclin est suivi par celui des prédateurs qui ne trouvent alors plus de ressources suffisantes dans l’écosystème, car le nombre de proies disponibles est insuffisant pour maintenir leur population. À long terme, le système est stable et régulé.


Exemple avec les populations de lynx et de lièvre

Ces courbes montrent les variations des populations de lynx (des prédateurs) et de lièvres arctiques (leurs proies) en Alaska sur plusieurs décennies. Lorsque la population de lièvres est haute et la population de lynx basse, tous les lynx ont suffisamment de nourriture pour prospérer. Leur population augmente donc rapidement. Cependant, l'augmentation du nombre de lynx a un impact négatif sur la population de lièvres qui décline, car la population ne parvient pas à se régénérer suite à des pertes trop nombreuses. En conséquence, la population de lynx diminue également, car les ressources disponibles dans l’environnement ne permettent plus à tous les individus de se nourrir à leur faim. Finalement, la population de lièvres prospère à nouveau, puisque le nombre de prédateurs dans le milieu a fortement diminué. Ainsi, le cycle recommence.

La biodiversité et la complexité des interactions dans un écosystème a un effet positif sur la stabilité des populations qui y vivent. Plus le réseau trophique est complexe, plus les populations sont stables. Si une espèce vient à décliner, son rôle de proie ou prédateur peut être compensé par une autre espèce aux préférences similaires. Cependant, dans un écosystème simple, la disparition d’une seule espèce peut provoquer l’effondrement de plusieurs autres qui lui sont liées.

Exemple

Source : Hoover, Carie & Pitcher, Tony & Christensen, Villy (2012).
La diversité des interactions permet une grande stabilité des populations.
2. Les cycles de matière dans les écosystèmes
a. Prélèvement et recyclage de la matière minérale

Les écosystèmes ne sont pas des systèmes fermés. En plus de l’énergie lumineuse, des éléments chimiques sous forme minérale sont consommés par les producteurs primaires : ce sont les entrées. Il s’agit du carbone, sous forme de CO2 atmosphérique, de l’eau et des sels minéraux prélevés dans le sol : azote (N), phosphore (P) et potassium (K) principalement.

Certaines symbioses jouent un rôle important dans le prélèvement de l’eau et des sels minéraux, en particulier les mycorhizes.

Exemple
Source : Alain Gallien, académie de Dijon.

L’interaction mycorhizienne entre les racines d’une plante et le mycélium d’un champignon facilite l’absorption de l’eau et des sels minéraux par la plante.

Les éléments chimiques traversent le réseau trophique sous forme organique (sucres, protéines, lipides…). À l’issue de ce processus, ces éléments chimiques sont rendus au milieu sous forme minérale ; ce sont les sorties. Le devenir des sorties dépend de leur nature :

  • Le CO2 retourne dans la circulation atmosphérique par la respiration ;
  • L’eau retourne dans la circulation atmosphérique par évapotranspiration, ainsi que dans le sol ;
  • Les sels minéraux sont principalement recyclés dans le sol par décomposition.

La microfaune du sol, les décomposeurs, occupe donc un rôle primordial dans le fonctionnement des écosystèmes. Le stock d’entrées disponible pour les plantes dans le milieu serait vite épuisé sans le recyclage de la matière organique réalisé par les décomposeurs. La qualité biologique des sols est donc un paramètre extrêmement important pour le bon fonctionnement des écosystèmes.


 

Pour faire le bilan des flux de sels minéraux dans l’écosystème, on peut observer que la restitution au sol par l’action des décomposeurs compense les prélèvements des producteurs primaires. Le système est à l’équilibre et les importations et exportations en dehors de l’écosystème sont négligeables.


Bilan des flux des principaux sels minéraux dans les écosystèmes.

Les écosystèmes apparaissent donc comme des systèmes dynamiques cycliques. Ils prélèvent de l’énergie et de la matière dans l’environnement. Ces éléments se diffusent à l’intérieur de la biocénose, avant d’être à nouveau libérés dans l’environnement. Quant à l’énergie, elle subit une dégradation entropique et est libérée sous forme de chaleur.


b. La contribution des écosystèmes dans la circulation des cycles géochimiques

À plus grande échelle de temps et d’espace, les flux de matières passant par les écosystèmes sont également reliés aux autres grands réservoirs terrestres : l’atmosphère, l’hydrosphère et la géosphère.
De par son importance dans la production primaire des écosystèmes, mais aussi par son rôle dans l’effet de serre planétaire et de régulation des climats, le cycle du CO2 est particulièrement étudié. En effet, il joue un rôle important à la fois dans la production primaire des écosystèmes, dans l’effet de serre de la planète, et dans la régulation des climats.


Les écosystèmes terrestres prélèvent le CO2dans l’atmosphère, tandis qu’il est prélevé dans l’eau par les écosystèmes aquatiques.

Les écosystèmes terrestres à l’équilibre présentent un bilan carbone neutre, c’est-à-dire qu’ils prélèvent autant de CO2 dans leur environnement qu’ils en émettent. Ainsi, la forêt amazonienne ne peut pas, à proprement parler, les « poumons de la Terre ».
Au contraire, les écosystèmes océaniques ont un bilan carbone négatif, c’est-à-dire qu’ils contribuent à la diminution de la teneur en CO2 de l’atmosphère. Ils constituent ce qu’on appelle un puits de carbone.
Sur des temps géologiques plus longs se forment d’autres réserves très importantes de carbone : les sols, les sédiments marins (sous forme de carbonates) et les hydrocarbures fossiles (pétrole, charbon et gaz). Cependant, les échanges entre ces réserves et la circulation rapide sont faibles.


Les nombres correspondent à des flux carbone naturels (en jaune) et anthropique (en rouge) en Gigatonnes par an. Les nombres blancs correspondent à du carbone stocke en Gigatonnes.

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