Introduction – Définitions

Écologie : « oïkos » = habitat

« logos » = discours

Mot créé par Haeckel en 1886.

Définition moderne : étude des relations milieu – organismes et des relations entre les organismes vivants dans le milieu naturel.

Selon Barbaut, il s’agit de la science de 21^ème siècle (pression démographique humaine et gestion de la complexité multidisciplinaire)

Revue de presse :

- 1999 : Naufrage de l’Erika " problème des hydrocarbures,

- 2000 : Tempête " problème de l’écosystème forestier,

- 2002 : Naufrage du Lev Oli Sun " problème du sillibène,

- 2003 : Naufrage du Prestige " problème des hydrocarbures,

- 2003 : Canicule " problème du réchauffement climatique

et des biodiversités,

- 2004 : Raz de marée " problème de la catastrophe humaine

Et écosystème du corail.

Autoécologie : étude d’une seule espèce.

Synécologie : interaction entre espèces.

Population : ensemble d’individus d’une même partageant un même habitat.

- Reproduction entre eux,

- Communication,

- Présenter des interactions soit :

- Positives : coopérations,

- Négatives : concurrence.

Peuplement : ensemble des populations qui partage le même habitat.

® Définition trop vaste.

Pour pouvoir, on doit restreint la notion de peuplement par rapport à l’objet d’étude :

- Les populations en interactions,

- Un ensemble taxonomique cible.

Biocénose : ensemble des peuplements d’un milieu.

= Zoocénose + Phytocénose

Écosystème = biocénose + biotope.

∆ Pas que l’un + l’autre : mais l’un V de l’autre.

® Propriétés systémiques :

Population A Population B

Interaction

directe Interaction

Milieu indirecte

Biosphère : ensemble écosystème marins et terrestre qui présente une dynamique complexe et structuration par :

- Processus biodémographiques affectant :

- Le nombre d’individus des populations :

Natalité Population Mortalité

Immigration

Émigration

La voie migratoire permet le brassage génétique

et la possibilité de recoloniser un milieu ravagé par une catastrophe.

- Le flux d’espèces :

- Extinction = disparition d’une espèce,

- Colonisation,

- Spéciation = apparition d’une nouvelle espèce.

- Processus biogéochimiques (cycles d’éléments et flux d’énergies) :

Caractéristiques de classification des écosystèmes :

- Structuration dans l’espace – temps :

- Distribution homogène ou hétérogène des organismes,

- Flux continu ou discontinu de matières ou d’énergies.

- Interactions organismes – milieu portées par le flux de matières et d’énergies :

Les flux d’énergie sont dissipatifs :

Les écosystèmes sont des systèmes ouverts, traversés par des flux d’énergies et sont considérés comme lieu de stockages transitoires.

Environnement physique de la biosphère

v Généralité sur le climat :

Mouvement de la Terre : double rotation.

Ø Rotation sur elle – même :

Cycle de 24 H : alternance jour / nuit = cycle nycthéméral

® Adaptation des organismes :

- Chez les végétaux : photosynthèse,

- Chez les animaux : variations de leur activité.

Exemple chez les animaux : Migration du zooplancton :

0 m Nuit Jour

Zone Consommation Multiplication

Euphotique du phytoplancton du phytoplancton

= zone où

IP > IR

Zone

Dysphotique

= zone où

IP < IR

50m

Profondeur

Ø Rotation autours du soleil :

Cycle de 365 jours

Été Hivers

§ Alternance des saisons :

Hivers Été

" Rythmes opposés entre les 2 hémisphères :

" Modifications de la durée de la phase diurne.

" Conséquences sur les organismes :

Exemple chez les végétaux :

- Feuilles caduques, Floraison.

Exemple chez les animaux :

- Fraie du saumon de fontaine, Salvelinus fontinalis (Salmonidés) : Ovulation,

- Croissance du pelage d’hivers des Mammifères, Déclenchement des processus de mue,

- Maturation des gonades, Instinct migratoire des oiseaux de région tempérée.

§ Gradient thermique :

Altitude Zone de circulation

tropicale de Hadley

20 km

Stratosphère

10 km Air

Pluie séché

Troposphère

Alizé

Équateur 30° 60° Pôle

Zone « humide » Zone

= à forte pluviométrie désertique

La troposphère est la 1^ère strate atmosphérique à partir de du sol ; elle peut de 9 km d’altitude (au niveau du pôle) à 17 km (au niveau de l’équateur)

L’ascendance de l’air est due au fait que l’air chaud à une densité plus faible que l’air froid. Le phénomène de condensation sera vu plus en détail par la suite.

L’existence d’un gradient thermique dû à l’éclairement solaire a pour conséquence un gradient thermique de surface, avec une augmentation de la température des pôles vers l’équateur.

Cela permet de définir des grandes zones climatiques pouvant être affectées localement :

- Par la répartition terre – mer (effet de tampon thermique par l’eau en stockant l’énergie) :

Hémisphère Sud présente une surface en eau proportionnellement plus importante que l’hémisphère Nord

- Par les reliefs : formation de climats locaux, régionaux et de microclimats (présence d’une végétation particulière à un lieu donné)

v Actions des grands facteurs abiotiques ou écologiques sur les êtres vivants :

La double rotation de la Terre a des conséquences sur :

- La répartition de l’énergie lumière,

- Le gradient thermique,

- Le gradient d’humidité.

Ø Rayonnement solaire et énergie dans la biosphère :

Le flux solaire est la source d’énergie la plus importante ; les autres formes d’énergie (géothermie, marée, vent) sont négligeables.

§ Composition et rôle du rayonnement solaire :

0,2 0,38 0,72 4 µm

Rayons X Rayons Ultra Violet Rayons du visible Rayons Infra Rouge

9% 42% 48%

+ 1% de rayons dont la longueur d’onde est inférieure à 0,2 µm et/ou supérieure à 4 µm.

· Les rayons UV (entre 0,2 et 0,38 µm) :

Ils sont absorbés par la couche d’ozone : de 3 mm d’O₃ à 25 km d’altitude (stratosphère)

Ils présentent des effets photochimiques mortels, en dénaturant l’ADN de par leur important potentiel énergétique. Ils sont pourtant arrêtés par une simple molécule d’eau, ce qui explique que la vie ait commencé dans les océans :

Apparition d’une vie aquatique

Photosynthèse Vie terrestre

ß Ý

Production d’O₂ Þ Formation photochimique

de la couche d’O3

· Les rayons IR (entre 0,72 et 4 µm) :

Ils ne pas utilisés directement par les organismes mais ont des rôles écologiques essentiels.

Réémission : Albédo = % de rayons réémis.

Piégeage

Réémission à une longueur d’onde l différente

Arrêt par des couches de nuages, poussières et de gaz (dont le CO₂)

Exemple d’une nuit sans nuage :

® Chute de la température due à la perte de rayons IR ® Gla-gla le matin !

· Le rayonnement visible (entre 0,38 et 0,72 µm) et spectre d’absorption de la chlorophylle :

% d’utilisation

Bleu Rouge

80% Détection satellitaire par leur

émission (vert et IR)

IR ® Satellite « végétation »

Vert Observation du phénomène

400 700 l de désertification.

Les rayons IR doivent être réfléchis sinon la température interne des végétaux augmenterait beaucoup trop.

§ Conséquences écologiques globales :

- Augmentation de la température du milieu ambiant,

- Évaporation de l’eau liquide

® Mouvements de convection et condensation en altitude,

- Mise en mouvement des fluides, résultant des gradients thermiques (altitude, latitude, saisons)

- Transport des masses d’air et d’eau (courant, turbulence, vents)

Exemple des végétaux :

Les rayons IR ne sont réémis dans leur globalité, une partie est absorbée qui sert à la transpiration par évaporation d’eau, permettant un flux ascendant déclenchant l’absorption dans le sol.

§ Action biologique de la lumière :

· La photosynthèse :

Les végétaux sont pour la plus part autotrophes. Ils constituent une production primaire de biomasse à l’origine des chaînes alimentaires et présentent un rendement énergétique.

CO₂ + H₂O Þ —HCHO— + O₂

La réaction globale de la photosynthèse est endothermique : 112,3 kCal par mole de carbone fixée. Cette énergie est utilisée pour la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique.

La photosynthèse consiste en un stockage provisoire de l’énergie :

CO₂

+ Biomasse

h.n

Respiration / Fermentation

h.n

17 500 (disponibles

à 35 000 pour la photosynthèse)

mW.m^–2.jour^–1

Production brute (respiration incluse)

= 0,35 g de Carbone. m^–2.jour^–1

M_C = 12 g.mol^–1 Soit : 112,3 x 0,35 / 12 = 3275 Cal. m^–2.jour^–1

1 Cal = 4,18 J

1 W = 1 J.s^–1 = 158 mW. m^–2.jour^–1

158

Rendement globale = = 0,45 à 0,9 %

17 500 à 35 000

Le rendement de la photosynthèse est faible : de l’ordre du 1 ‰ à 1 %. La luminosité est suffisante encore pour 100 à 200 fois plus de végétaux.

Le fait que les végétaux ne se développent pas plus est du à d’autres facteurs qui sont limitants, comme la teneur en CO₂, en minéraux ou en eau. Il y a eu des époques où le rendement était beaucoup plus élevé : le Carbonifère ou le Permien. Ceci était grâce à une forte teneur en CO₂ causée par une importante activité volcanique. Ce sont essentiellement des époques à l’origine d’une majorité d’O₂, de combustibles et de végétaux fossiles (pétrole)

· Adaptation des végétaux aux variations d’éclairement :

Intensité photosynthétique

En µmol_CO₂_FIXE / sec.

Algues rouges

Phytoplanctons

Plantes supérieures

Sciaphiles Héliophiles Intensité lumineuse

En Lux.

30.10³ 100.10³

L’éclairement conditionne la répartition des végétaux dans l’espace.

Exemple du milieu terrestre :

Un Hêtre, Fagus sylvatica, âgé est héliophile. Moins d’1 % d’éclairement à la cime parvient au sol. Les jeunes hêtres et les autres espèces, comme la Myrtille, qui se développent aux alentours sont sciaphiles.

Exemple du milieu marin :

La turbidité de l’eau entraîne des effets négatifs sur la pénétration des photons. Le phytoplancton vivant dans des régions à forte turbidité est sciaphile. Il existe un point de compensation (IP = IR) selon la turbidité vers 30 à 100 m de profondeur.

Les variations d’éclairement entraînent aussi une adaptation dans le temps.

Exemple :

Au printemps, quand un arbre n’a pas encore de feuilles, des petites plantes, comme la Jonquille, en profite pour se développer autour du pied.

§ Énergies auxiliaires :

Le bilan énergétique correspond à un flux vers la biomasse via la respiration, la fermentation, la photo– et la chimio–synthèse.

Il existe d’autres énergies, d’ordre physique (cinétique), qui mettent en mouvement des fluides. Elles ont un rôle sur le climat et le transport de la matière, on parle de « circulation sanguine de la biosphère ».

· Exemple d’énergie auxiliaire d’un système terrestre :

H₂O_GAZ

H₂O_LIQUIDE Transpiration par évaporation

Chute des

feuilles

Chaîne Montée de la sève brute

alimentaire

Matière organique Absorption de l’eau

dans le sol

Éléments minéraux

N, P, K, etc.

Réserves dans le sol

Énergie auxiliaire secondaire Énergie auxiliaire primaire

Elle n’est possible que s’il y a un recyclage avec une énergie secondaire pour rééquilibrer.

Pour l’évaporation, il y a aussi besoin d’un apport calorique (= thermique) qui entraîne une baisse de la température de l’environnement.

Le coefficient respiratoire :

Exemple : une prairie (essentiellement des graminées)

Production : 20 Tonnes_MF /an /Ha.

Nécessité : 2000 Tonnes_H2O /an /Ha.

» 200 mm /an.

Quantité de H₂O 2 000

Coefficient transpiratoire = = = 100 g_H2O/g_MF

Grammes de MF synthétisés 20

· Exemple d’énergie auxiliaire d’un système océanique :

Vent

Consommation Ruissellement

Phytoplancton

Production I^AIRE N, P, etc.

Sédimentation

« UPWELLING »

Réserves profondes = Mise en mouvement des

de minéraux éléments minéraux par remontée

d’eaux profondes.

Les réserves profondes sont en zone dysphotique pour le phytoplancton. Le phénomène d’Upwelling permet de remonter les minéraux en zone euphotique.

On observe de meilleures pêches dans les zones côtières et les zones de turbulence.

Ø La température :

En un point donné, résulte : le bilan radiatif (rayons reçus – rayons émis),

les contacts et transfert de chaleur.

Les paramètres usuels caractérisant l’habitat sont :

- La température moyenne,

- La température minimale,

- La température maximale,

- La périodicité de ces variations.

Tolérance des organismes :

- Une température inférieure à 60 °C (à cause de la dénaturation des protéines)

Il existe des adaptations : les bactéries des sources thermales.

- Une température supérieure à 0 °C (à cause des membranes)

Il existe plusieurs niveaux d’adaptations :

- Les végétaux peuvent supporter des températures plus basses n’ayant pas la possibilité de se déplacer,

- Les animaux peuvent être poïkilothermes : leur température corporelle est la même que celle de l’environnement. C’est le cas des Reptiles et des Batraciens,

- Sinon, ils sont homéothermes : ils sont capables de réguler leur température corporelle. C’est le cas des Oiseaux, des Mammifères, …

§ La température de l’atmosphère :

Hémisphère NORD : Hémisphère SUD :

Températures moyennes annuelles : 13 °C 15 °C

Températures extrêmes : + 58 °C Mexique, Libye

– 78 °C Sibérie

– 88 °C Antarctique (continent abiotique, que de la glace)

Oscillation maximal : + 50 °C à + 10 °C en jour/nuit dans le désert ;

+ 15 °C à – 70 °C sur les saison au niveau des pôles.

Des facteurs influencent la température :

- Le relief,

- L’exposition au soleil,

- La végétation : plus il y a de la végétation, plus la température est basse

Causes : Moins de réverbération de la lumière ;

Surtout le fait que l’énergie thermique est utilisée par la transpiration.

§ La température des lacs et des océans :

Variation de – 2 °C (gel de l’eau salée) à +32 °C.

Dans les fonds océaniques : température inférieure à 0 °C ;

Dans les écosystèmes lacustres : 4 °C en profondeur.

Il y a la présence d’un gradient thermique créant une variation de densité des couches d’eau et causant donc leur séparation.

Cette stratification est stabilisée par la force d’Archimède et va effectuer une opposition aux turbulences.

· Effet de la température sur la stratification des masses d’eau :

0 4 20 T °C

Épilimnion (lac)

Effet du vent = couche homogène

" Turbulence

Thermocline

9 Mélange

= couche stratifiée

– 50

Hypolimnion (lac)

= couche homogène

Profondeur

en m

· Le milieu marin : phénomène d’Upwelling :

Anticyclone (force de Coriolis)

Thermocline Production primaire Consommation

intense de la biomasse.

Exportation

Eau chaude,

pauvre en éléments minéraux UPWELLING

Thermocline

Eau froide,

riche en éléments minéraux

(réserves profondes)

Par satellite, on peut détecter les alternances thermiques et définir ainsi les zones de pêche à exploiter sur le moment. On observe une superposition des zones d’Upwelling avec les zones désertiques.

¨ Stimulation de la production des chaînes alimentaires :

À l’endroit de ces remontées, il y a une forte concentration de phytoplancton et donc une « excitation » de la chaîne alimentaire.

Plus la chaîne alimentaire se rallonge, moins le super–prédateur est présent en nombre.

Richesse en N, P, etc.

Phytoplancton

( Zooplancton

$ $

Poissons planctophages (sardines, anchois)

Masse importante (chaîne alimentaire courte)

Céphalopodes, Cétacés

Masse moins importante (chaîne alimentaire plus longue)

· Le milieu d’eau douce : double stratification :

Hivers Printemps

Stratification Glace 4 °C Réchauffement

Homogénéisation

0 à 4 °C 4 °C

' ' '

Automne Été

Refroidissement Échauffement

(Tempête) 4 °C Stratification

Homogénéisation Thermocline

Þ Brassage des éléments nutritifs

C’est le cas des lacs tempérés, on dit qu’ils sont dimictiques.

Les lacs tropicaux sont amictiques : ils ne subissent pas de double stratification. Il n’y a donc pas de brassage des éléments nutritifs.

Pour palier à ce problème, on ajoute des espèces qui vont effectuer ce brassage, comme certaines crevettes qui remontent à la surface la nuit pour se nourrir et redescendent au fond du lac le jour.

§ Réponses des organismes vivants aux variations de température :

La température a des effets directs en tant que facteur limitant, et des effets indirects (surtout sur la reproduction)

· Effet de la température sur les réactions biochimiques :

Loi de Van’t Hoff : une augmentation de 10 °C double l’activité biochimique.

La courbe de réponse et la température optimale sont spécifiques aux enzymes de chaque espèce.

Activité

biologique

x 2

+10

Température en °C

T_OPTIMALE

Exemple de l’hémoglobine :

- Chez la Morue, son activité (fixation de l’O₂) est réduite à 50% après 30 minutes à 40 °C.

- Chez le Macaque, son activité est réduite à 50% après 30 minutes à 50 °C.

- Chez un Lézard déserticole, son activité est réduite à 50% après 30 minutes à 60 °C.

Ces effets ont pour conséquences l’obtention d’écotypes (= populations d’une même espèce ayant développé des particularités)

Exemple du Trèfle blanc :

Celui de Suède est plus résistant aux basses températures que celui de Grande–Bretagne.

· Effet de la température sur les processus globaux :

Exemple des œufs de Copépodes d’un même biotype :

Nombre de jours

avant l’éclosion

Espèce 1

Espèce 2

Température en °C

Pour une température donnée :

- Les œufs de l’espèce 2 éclosent plus vite,

- Les œufs de l’espèce 1 restent plus longtemps dans le milieu et sont victimes d’une prédation plus forte.

Þ effet sur la relation Proies – Prédateurs

· Adaptation et résistance des organismes à la température :

En général, un organisme donné est adapté à une gamme précise de températures. Comme ce facteur écologique est variable, il lui fait des adaptations (physiologiques, morphologiques et comportementales)

¨ Pour les basses températures :

Problème : la cristallisation de l’eau causant un endommagement de la compartimentation cellulaire (membranes)

Réduire la teneur en eau. C’est le cas des graines, des Bactéries et du Chironome (= ver de vase ayant la capacité de se déshydrater pour supporter des températures expérimentales bien inférieures à –200 °C)

‚ Baisser le point de congélation en augmentant leur concentration en électrolytes (= ions minéraux, acides aminés, petits sucres) Cela permet de protéger leurs structures.

ƒ S’extraire du milieu par le biais

- D’une migration (pour certains Oiseaux et Papillons comme le Grand monarque)

- D’une hibernation (surtout chez les Mammifères comme l’Ours et le Hérisson)

¨ Pour les fortes températures :

(Biochimie) Synthèse de protéines spécifiques, Heat Shock Protein, qu’en cas de choc thermique. Ce sont des protéines chaperonnes : elles aident la molécule d’ADN à conserver sa structure III^AIRE.

Pour les organismes vivant dans des conditions extrêmes – c’est le cas des sources thermales (à 2 – 3 000 m de profondeur et 150 à 300 °C) – on observe :

- Le développement de la chimiosynthèse (remplaçant la photosynthèse),

- La synthèse de Taq Polymérase,

- Et l’installation de symbioses.

‚ (Physiologie) Processus transpiratoires.

ƒ (Morpho–anatomie)

Exemple :

	Renard polaire	Renard commun	Renard des sables (Fennec)
	Alopex lagopus	Vulpes vulpes	Fennecus zerda
Longueur des oreilles	Petites	"	Longues
Pelage	Long et blanc	"	Court et ocre
Couleur de la peau	Noire	"	Blanche

Le renard polaire présente un poil de structure particulière : une fibre creuse (microsphère) De par cette forme, le poil est un réel conducteur optique. Ce renard doit avoir sa peau noire pour se protéger des rayons UV.

La couleur du pelage a aussi un rôle dans la prédation en s’adaptant aux couleurs de l’environnement.

„ (Comportement)

Exemple :

Le fennec a une activité nocturne, au moment où les températures sont les plus basses. Ses longues oreilles ont aussi un rôle dans la prédation en lui permettant de s’orienter dans l’obscurité par rapport aux proies.

· Conséquences sur la répartition des organismes :

Tolérance thermique :

Activité ou « sténo » = mince

abondance

Sténothermes Sténothermes

froids chauds

Eurythermes

Température en °C

0 35

Exemples chez les animaux :

- Les Récifs coralliens : il s’agit d’espèces très spécifiques dans les températures. Ils ne se trouvent que sur l’isotherme de 21 °C en hivers.

- Le Dauphin commun, delphinus delphis : il suit les isothermes de 15 °C en méditerranée.

Exemples chez les végétaux :

- Le Chêne, Quercus pedonculata : nécessité d’être au moins 4 mois à une température supérieure à 10 °C.

- Le Hêtre, Fagus silvatica : nécessité qu’en Janvier il ne fasse pas moins de –2 °C.

- Le Houx, Ilex amifolium : nécessité qu’en Janvier il ne fasse pas moins de 0 °C.

Au Nord, le facteur le plus limitant est la gamme thermique minimale.

Au Sud, le facteur le plus limitant est la teneur en eau.

Ø L’eau dans la biosphère :

Il s’agit du fluide quantitativement le plus important : toutes les réactions biochimiques sont en milieu aqueux. Il est essentiel à la vie et compose 80% de la matière fraîche vivante.

§ Rappel sur les propriétés de l’eau :

4 phases : 2 solides, la glace et la neige (leur densité sont différentes),

1 liquide,

1 gazeuse.

Propriétés thermiques :

- Point de fusion : 0 °C (eau douce) à –2 °C (eau saline),

- Point d’ébullition : 100 °C,

- Chaleur spécifique : 1 Calorie (très élevée)

= énergie pour augmenter la température de l’eau d’1 °C

Þ rôle de volant thermique (ou tampon thermique)

- Chaleur d’évaporation : 540 °C Cal /g

L’évaporation entraîne une baisse de la température locale.

La condensation entraîne une émission de rayons IR.

L’eau et le rayonnement : transparente aux rayons visibles et UV.

Mise en solution :

Elle solubilise les molécules organiques et minérales.

Elle ionise les électrolytes (effet de gel sur les substances dissoutes)

Conclusion :

L’eau véhicule la matière et l’énergie thermique.

Elle protège contre les UV et est sans effet sur le rayonnement visible.

Les différents réservoirs :

- En eau liquide : 1 300 000 000 km³ (97% dans les océans : eau salée),

- En glace et neige : 33 000 000 km³,

- En nuages et vapeur : 12 700 km³,

- Dans la matière vivante : 2 000 km³ (soit 10^–6 de la totalité)

Le cycle de l’eau :

IR rayonné vers l’espace

Échauffement Condensation

de l’atmosphère

Vent Trajet dans la biomasse

Évapotranspiration

Trajet dans le sol

Trajet d’énergie

Trajet de l’eau

§ L’eau libre :

Très importants pour les fluides dans le vivant.

· Les principaux électrolytes :

- NaCl : 35 ‰ pour les océans (taux stable)

1 ‰ pour l’eau douce (dépend du trajet de l’eau)

- 90 espèces d’ions minéraux.

Þ Ils créent une différence de densité : l’eau de mer que l’eau douce.

Exemple :

L’estuaire : une circulation à 2 couches.

Eau douce Fleuve

Halocline

Eau salée

Contre courant

profond

Les organismes en contact avec un milieu très salin subissent une sortie d’eau (principe osmotique) Ils ont besoin d’adaptations.

· Les sels minéraux dissous :

- NO₃ˉ : Nitrate,

- NO₂ˉ : Nitrite,

- NH₄⁺ : Ammonium,

- PO₄³ˉ,

- HPO₄²ˉ, Phosphates

- H₂PO₄ˉ.

En opposition au NaCl, ils sont dits « peu conservatifs ».

Plus explicitement : Leur répartition est hétérogène et résulte de leur consommation par les êtres vivants (= intégration dans la biomasse)

Ensuite, la biomasse devient de la nécromasse piégeant ces éléments. La densité étant plus forte, ils tombent en profondeur.

· Les matières organiques dissoutes :

Exemple :

La méditerranée (en gramme de Carbone.m^–2)

« necto » = qui nage

Necton 0,7 – 1

Zooplancton 0,3

1 Phytoplancton

Bactéries 0,2

Recyclage

Matière organique morte 15

Matières organiques dissoutes 700

Fossilisation

· Les gaz dissous :

Pour l’essentiel : O₂ et CO₂

Les proportions dépendent : de l’équilibre avec l’atmosphère,

de l’équilibre avec le CaCO₃ soluble et insoluble,

des processus biologiques

(Photosynthèse, respiration et fermentation)

L’O₂ : Peu soluble (21 % de l’atmosphère)

S’équilibre rapidement avec [ O₂ ]_AQUEUX

Effet de la température : Si la température augmente, la [ O₂ ] diminue.

Exemple : les piscicultures ont des problèmes en été.

Le CO₂ : Solubilité en fonction de la température : Pour les eaux douces

Si la température augmente, la [ O₂ ] diminue.

Solubilité en fonction du pH : Pour l’eau de mer

· Le pH de l’eau :

[ H⁺ ] . [ HOˉ ]

La loi d’action de masse = = 10^–14

[ H₂O ]

Acide si : [ H⁺ ] > [ HOˉ ]

Basique si : [ H⁺ ] < [ HOˉ ]

pH = – log₁₀ [ H⁺ ] 1 < pH < 14

Le pH de l’eau douce : Il est peu tamponné (peu de substances dissoutes)

" Conséquences des pluies acides : l’acidité est due à l’industrie humaine avec le dégagement de protons qui font baisser le pH.

Les espèces fragiles, comme les œufs ou les alvins, en souffrent.

Exemple :

Au Canada, la neige a un rôle de stockage temporaire. Au printemps, la fonte des neiges a libéré toute l’acidité d’un coup.

Le pH de l’eau de mer : Il est très tamponné, entre 8 et 8,3.

" Présence d’ions carbonates et de bicarbonates.

Système tampon :

CO₂

Dissolution lente

CO₂ HCO₃ˉ CO₃ˉ

+ H₂O + H + 2H⁺

Réactions rapides

S’il y a un excès de H⁺, la réaction ira vers un dégagement de CO₂.

Si la réaction est alcaline, elle ira vers une dissolution de CO₂.

Si les organismes de ce milieu présentent une forte activité respiratoire :

[ CO₂ ] augmente,

[ H⁺ ] augmente,

pH baisse.

Si les organismes de ce milieu présentent une forte activité photosynthétique :

[ CO₂ ] diminue,

[ H⁺ ] diminue,

pH augmente.

§ L’eau dans l’atmosphère :

· L’humidité de l’air :

Taux de saturation de l’air en eau vapeur est en fonction de la température :

Pression de

la vapeur d’eau

Pression de saturation

Refroidissement Pi de saturation

Condensation

Pression constante

Pi mesuré

Température

Point

de rosée

Pi de la vapeur d’eau mesuré

Humidité relative = HR = x 100

Pi de saturation à la même température

Si la HR = 100% " il y a saturation.

Si la température augmente, la HR diminue et on obtient un air plus asséchant.

Si la température diminue, la HR augmente jusqu'à condensation.

Cela a des conséquences climatiques.

· Pluie & brouillard :

L’absorption de l’eau par les organismes vivants se fait surtout en phase liquide.

La pluviométrie est une caractéristique régionale par rapport à la saison et influence la répartition des organismes.

Les paramètres : La quantité d’eau annuelle,

L’alternance saisonnière,

Le caractère régulier (ou sporadique)

Exemple :

Les zones intertropicales sont les plus arrosées : pluviométrie supérieure à 2 m /an

Bangladesh : 7 m /an,

Normandie : 800 mm /an.

Les zones désertiques ont une pluviométrie inférieure à 200 /an. Elles correspondent à la répartition des courants marins froids (= Upwelling) et aux vents de Fœhn.

Upwelling :

Montée d’eau froide :

" Refroidissement de l’eau en surface,

" Refroidissement de l’air,

" Assèchement de l’air en condensant une partie de son eau au dessus de l’océan,

" Air sec arrivant sur le continent.

Vent de Fœhn :

Point de rosée

= Condensation

Sud Nord

Altitude

Refroidissement Réchauffement

progressif progressif

HR HR (plus faible)

Himalaya Désert de Gobi

" Explication de la répartition des courants marins froids et des zones désertiques.

Upwelling

Fœhn

Désert d’Arizona,

Désert du Pérou,

Désert du Kalahari,

Désert du Sahara,

Désert de la Péninsule arabe,

Désert d’Australie,

Désert de Gobi.

La combinaison de la pression et la température conditionne les grandes zones climatiques et donc la répartition des organismes.

Remarque : le sens d’orientation des Upwellings est dû aux forces de Coriolis :

: Nord (sens des aiguilles d’une montre)

: Sud (sens inverse des aiguilles d’une montre)

La quantité de pluie conditionne la répartition des êtres vivants, mais les brouillards peuvent suppléer à un défaut de pluviométrie.

Exemple :

La région de Rabbat (Maroc) présente une pluviométrie de 400 mm/an et compté parmi ses espèces végétales le Chêne liège.

Or, ce dernier a besoin d’une pluviométrie de 600 mm/an. Les 200 mm/an nécessaires sont apportés par les brouillards.

§ L’eau dans le sol :

L’eau du sol permet la pédogenèse (= formation de complexes argilo–humiques résultant de l’altération de la roche–mère) Elle contribue à la fertilisation des sols.

§ L’eau dans les organismes vivants :

Tous les organismes vivants contiennent de l’eau à des proportions différentes :

Végétaux

1 % 65% 90 % 99 %

Semences Invertébrés du milieu marin

comme la méduse

Composition et fonctionnement :

Exemple : une prairie a une production de 20 tonnes de matière fraîche par hectares et par an.

2000 tonnes d’eau lui est nécessaires :

- 3 tonnes pour la dissociation de la molécule H₂O lors de la photosynthèse,

- 15 tonnes pour constitution de la plante,

- 1982 tonnes pour le flux de la sève.

· Ajustement de la pression osmotique dans les écosystèmes aquatiques :

P_Osm : force créée par les substances dissoutes = force de rétention d’eau.

Elle est proportionnelle à la concentration des substances.

Le problème des organismes :

La P_Osm du milieu extérieur est différente de la P_Osm du milieu intérieur.

Eau douce : Eau de mer :

P_Osm élevée

Milieu int. Milieu int.

Milieu ext. Milieu ext.

P_Osm élevée

H₂O H₂O

Adaptations :

- Les organismes poïkilosmotiques : pas de régulations : la P_Osm int. = la P_Osm ext.

- Les organismes homéosmotiques : régulations : la P_Osm int. ¹ la P_Osm ext.

Exemple : les Poissons.

- Les organismes sténohalins : Ils sont inféodés à un milieu où la P_Osm est constante.

- Les organismes euryhalins : La P_Osm de leur milieu extérieur put varier.

Ils sont capables de faire un équilibre dans leur régulation.

Exemple : les Salmonidés migrateurs et certains organismes vivants dans les estuaires (milieu mixte séparé par un halocline)

Exemple de mécanismes d’adaptation :

En eau douce, il y a les branchies ou vacuoles pulsatives. Le besoin d’expulser de l’eau au fur et à mesure est très coûteux en énergie. Cela explique, entre autres, pourquoi les poissons d’eau douce sont généralement plus petits que les poissons d’eau de mer.

· Résistance des organismes à la sécheresse chez les végétaux :

L’eau leur sert au flux de sève et à l’évacuation de la chaleur.

Les végétaux sont surtout xérophiles (= adaptés à la sécheresse) Ils présentent des adaptations aux précipitations rares ou peu abondantes.

Cas extrême : Afrique tropicale où il n’y a pas une goutte d’eau pendant 8 – 9 mois.

Les végétaux présentent des adaptations :

- Phénologiques :

- Présence de feuilles caduques pour éviter l’évaporation durant la sécheresse,

- Préférence des espèces pour un cycle annuel où elles seront sous forme de graines pendant cette période.

- Morphologiques :

- Développement important du système racinaire pour descendre chercher les nappes phréatiques profondes.

- Histologiques :

- Développement d’une cuticule plus épaisse et donc plus imperméable,

- Diminution de la densité des stomates,

- Réduction foliaire : les feuilles sont remplacées par des épines et ce sont les tiges qui assurent la photosynthèse.

- Biochimiques :

- Accumulation de composés solubles permettant une meilleure rétention et une absorption de l’eau (= succulence)

Exemples :

- Acacia : Système aérien : 3 m,

Système racinaire : 35 m (racine pivotante)

- Cactées, Euphorbiacées : Absence de feuilles,

Celles–ci sont remplacées par des épines ; ce qui est aussi un avantage pour se protéger des « prédateurs ».

Cela est aussi caractérisé par une photosynthèse particulière, de type CAM, qui se fait en partie la nuit permettant de fermer les stomates le jour.

- Halophyte salicorne (concombre de mer) :

Il présente une soif physiologique : en vivant dans un milieu salé, il est difficile de pomper l’eau de ce milieu. Il accumule donc des substances pour augmenter sa pression osmotique.

Les Halophytes sont des organismes sténohalins : ils ne peuvent pas survivre dans une eau douce. Les Glycophytes le sont aussi mais dans le sens opposé : ils ne peuvent pas vivre dans un milieu salé (les Haricots l’illustrent bien : la moindre pincée de sel les tuent)

· Résistance des organismes à la sécheresse chez les animaux :

Des adaptations sont nécessaires à proximité des zones désertiques et, pour les animaux aquatiques, dans les zones intertidales (= zones de balancement des marées) où ils doivent subir une émersion temporaire.

Les animaux présentent des adaptations :

- Histologiques :

- Épaississement des téguments,

- Enfoncement de l’appareil respiratoire.

- Biochimiques :

- Approvisionnement en eau via les aliments,

- Approvisionnement en eau via le métabolisme,

- Diminution des excrétions urinaires,

- Concentration des déchets métaboliques.

- Éthologiques :

- Abritement dans un terrier le jour et activité nocturne.

- Plus globale :

- Entrée en diapause : Baisse de l’activité métabolique

Et baisse de la teneur en eau des tissus.

Exemples :

- Camélidés comme le Dromadaire :

La bosse contient des tissus spécialisés qui permettent l’accumulation de lipides qui seront oxydés en période de soif.

il y a aussi une diminution des sécrétions urinaires.

- Les Reptiles, les Insectes et les Gastéropodes des zones intertidales :

Sécrétion de l’acide urique sous forme solide, l’urée :

H—N N—H NH₂ — C — NH₂

| || | Þ ||

O NH NH O

- Le Rotifère, le Protophère (poisson) : entrée en diapause.

Organisation spatiale et fonctionnement de la biosphère

Rayonnement

Température Þ Vastes ensembles Þ Biomes Þ Zones

Eau (homogénéité) (diversités et distribution) spatiales

v Zonation des biomes :

= Formation de climatogrammes : graphes

Exemple :

Température

Juillet Septembre

40 Novembre

Sud

marocain Madagascar

30 Août

Octobre

Région du climatogramme

Région favorable à une espèce donnée

10 Mai tempérée Décembre

Décembre

Précipitations

50 100 150 moyennes mensuelles

(en mm)

La pluie et la température des grandes formations végétales. Dans l’exemple ci–dessus, les espèces correspondant à cette région sont, entre autres, le Hêtre, le Houx, le Chêne pédonculé.

Le biome est composé de regroupement d’espèces animales et végétales.

= Phytocénose + Zoocénose.

Exemple :

L’écosystème système constitutif d’un biome :

Précipitations annuelles

4 000

Forêts ombrophiles

3 000 (équatoriales)

Forêts Forêts

2 000 décidues sempervirentes

Forêts boréales (méditerranéennes)

1 000 Températures

–10 0 10 20 30 annuelles

Ø Zonation latitudinale des biomes :

De l’équateur vers le pôle

§ Forêt équatoriale :

Ou ombrophile « ombro » = pluie

La pluviométrie est supérieure à 1 500 mm par an et les température sont élevées : l’humidité relative est élevée.

Les espèces végétales sont sempervirentes, c'est–à–dire qu’elles conservent leurs feuilles toute l’année.

On observe une stratification verticale de ces espèces végétales :

Espèces sciaphiles " grands arbres (ligneux)

Il y a aussi une grande diversité : cette forêt est une vrai réservoir de biodiversité et donc un réservoir de gènes.

Exemple :

- La présence d’espèces se fixant sur un grand ligneux. Elles ne le parasitent pas mais s’en servent comme « échelle » pour atteindre la lumière.

- Un nombre impressionnant d’espèces d’oiseaux.

Au cours de l’évolution, il y a eu une différenciation des individus pour éviter la concurrence en s’orientant vers l’exploitation d’une ressource pas ou peu convoitée. Toutes les énergies sont alors utilisées équitablement.

La forêt présente en ce sens une forte maturité et a donc installé une importante stabilité.

§ Forêt tropicale, dite sèche :

Il y a l’alternance entre une saison sèche (6 mois sans pluie) et une saison humide.

Les espèces végétales sont à feuilles caduques : elles perdent leur feuilles durant la saison sèche pour éviter l’évapotranspiration.

De plus, certains ligneux développent une adaptation du système racinaire comme l’Acacia ; ou d’autres présentent une grande réserve d’eau comme le Baobab (appelé aussi « Bottle tree »)

§ Succession de végétation :

En remontant vers le Nord, on voit une végétation qui rapetisse. On arrive alors à la savane arborée–arbustive avec des ligneux de petite taille. Cette végétation se raréfie jusqu’à la limite Sud du Sahel.

§ Désert :

La pluviométrie est inférieure à 200 mm par an et la chaleur est élevée.

On n’y trouve plus que des espèces xérophiles (= adaptées à la sécheresse)

Quelques adaptations :

- Le phénomène de succulence qui correspond à une rétention d’eau, comme chez le Pachypodium.

- La réduction de la surface transpirante en remplaçant les feuilles par des épines, comme chez les Cactées.

- Le développement d’un système racinaire profond.

- L’évolution vers une vie écourtée : espèces éphémères.

§ Forêt méditerranéenne :

Ou sclérophylle

Il y a l’alternance entre une saison aride et une saison arrosée.

Les forêts sont sempervirentes : elles ne sont pas décidues grâce à des températures hivernales qui n’entraînent pas de gel.

Exemple :

Le chêne liège et le chêne vert.

Il s’agit d’une forêt fortement dégradée ; cette dégradation est due :

- Au déboisage massif durant l’époque romaine,

- Au surpâturage des moutons (qui peut encore être actuel)

" Il y a une disparition des grands ligneux et une formation arbustive dégradée de maquis et de garrigue.

9 Dégradation de l’écosystème,

9 Érosion des sols,

9 Apparition en surface de la roche mère, il n’y a plus de sol fertile,

9 Plus que quelques graminées peuvent encore pousser.

Exemple :

Le Sedum, l’Euphorbe, le Thym, la Lavande qui présente une baisse de la transpiration grâce à des poils sur les feuilles et à la position de ces dernières vers le bas.

§ Forêt décidue :

Ou caducifoliée

Il y a l’alternance entre une saison froide et une saison chaude.

Il y a quelques mois de gel sans importance que les végétaux pallient en perdant leurs feuilles et en entrant en dormance.

Elles ont quasiment toutes subi un jour ou l’autre les effets de l’homme ; il subsiste encore quelques rares forêts vierges en Pologne.

§ Taïga :

La région de la Suède (par exemple) présente des températures hivernales très basses.

Les forêts, dites boréales, sont peu diversifiées et surtout constituées de conifères.

Le sol est riche en matière organique sar la minéralisation par décomposition se fait mal. En effet, les épines de conifères sont riches en protons ; ce que n’aiment pas les bactéries chargées de leur dégradation.

§ Toundra :

Les températures sont trop froides pour le développement de ligneux.

Il y a par contre la formation d’herbacées mal drainées :

" L’eau reste en surface, formant une cuvette directement sur la roche mère. Il y a alors l’apparition de végétaux comme les Nénuphars et d’une espèce particulière, les Sphaignes, qui vont être à l’origine des tourbières.

On peut alors trouver des matelas de tourbes de 6 m de profondeur.

Il s’agit du même phénomène rencontré pour nos tourbières.

On observe aussi des lichens = association symbiotique entre une algue chlorophyllienne (qui fournit les squelettes carbonés) et un champignon (qui va s’occuper de la fixation de l’eau)

Ces lichens survivent à des températures très basses mais présenteront une croissance très lente.

Ø Zonation altitudinale des grands biomes :

L’altitude (le relief) a un impact sur la température et la pluviométrie.

5 000

Toundra

4 000

Taïga

3 000

Forêt caducifoliée

2 000 tempérée

Steppes de montagne

1 000 et

savane

15° 30° 45° 60° 75° Latitude nord

Forêt ombrophiles

v Organisation trophique :

« trophe » = nourriture

= Structure fonctionnelle fondamentale.

Ø Notion de chaîne alimentaire (ou trophique) :

= Représentation graphique des interactions trophiques entre les êtres vivants

" Flux de matière suivi d’un flux d’énergie.

Toutes les chaînes alimentaires ont comme origines les végétaux (= producteurs primaires)

Exception : la chaîne alimentaire présente dans les milieux tels que les sources thermales.

Photosynthèse

Producteurs primaires

CO₂

Consommateurs primaires

Matière organique morte

Consommateurs secondaires

Éléments

minéraux

Consommateurs tertiaires

Détritivores

Décomposeurs

Etc.

Consommateurs primaires,

secondaires, tertiaires, etc.

(" autre chaîne alimentaire)

Système Herbivores – Carnivores Système Saprophages

§ Producteurs primaires :

Ils présentent une production autotrophe à la base de toutes les autres chaînes alimentaires. L’opération fondamentale est la photosynthèse.

6 CO₂ + 6 H₂O 4 C₆H₁₂O₆ + 6 O₂& + Chaleur

La production brute correspond à la production nette (C₆H₁₂O₆) et à la consommation « personnelle » de la plante par respiration. Seule la production nette est disponible pour les consommateurs primaires.

§ Consommateurs primaires :

On parle plutôt d’Herbivores pour les animaux de grande taille et de Phytophages pour les animaux de plus petites tailles.

Il y a plusieurs spécialisations : Granivores, Frugivores, parasites de végétaux, etc.

§ Consommateurs secondaires :

Il s’agit généralement de carnivores ; mais il existe beaucoup de spécialisation :

- Piscivores et ichtyophages :

" Leur nourriture est principalement ou exclusivement composée de poissons.

- Ornithophages :

" Leur nourriture est composée d’oiseaux.

- Myrmécophages :

" Leur nourriture est composée de fourmis.

- Entomophages ou insectivores :

" Arthropodes ou petits vertébrés qui se nourrissent d’insectes.

- Parasites d’animaux

- Etc.

§ Détritivores :

Il s’agit essentiellement d’invertébrés.

· Milieu terrestre :

« sapros » = pourri

- Les Saprophages :

Exemple d’arthropodes : les Collemboles.

- Les Nécrophages :

Exemple de myriapodes : l’Iule.

- Les Coprophages : = Organismes vivants dans la litière.

Exemple du Bousier.

- Les Géophages :

Exemple du Lombric qui peut consommer chaque jour 3 fois son poids en terre.

= Organismes vivants dans le sol.

· Milieu marin :

- Les Saprophages : Ils utilisent la matière organique à l’état particulaire.

Exemple : les Annélides.

Suspensivore : : Déposivore

(panache filtreur) (siphon aspirant)

- Les Nécrophages :

Exemple : le Bulot, Buccinum undatum.

§ Décomposeurs :

Ils contribuent aux cycles de minéralisation.

· Milieu terrestre :

Il s’agit de micro–organismes, bactéries, et champignons. Ils diffèrent des détritivores du fait que leur digestion des polymères et des macromolécules est extracellulaire.

Ces décomposeurs sont en concurrence (= compétition) :

- Les champignons produisent des toxines visant à détruire les bactéries (antibiotiques)

- Les bactéries développent des toxines contre les champignons.

Ce mode de « contre–attaque » a été à l’origine du caractère pathogène de certaines bactéries pour d’autres organismes.

· Milieu aqueux :

Il s’agit de micro–organismes.

Ø Biomasse : mesure et ordre de grandeur :

La biomasse est définie comme étant la matière vivante, par opposition à la nécromasse qui est la matière morte.

Il n’est pas évident de la distinguer et de la quantifier dans un milieu tel que la litière.

Composition de la biomasse terrestre : C₁₄₈ H₂₉₆ O₁₄₆ N₁₆ P_1,3 S₁

Composition de la biomasse océanique : C₁₀₆ H₂₆₃ O₁₁₀ N₁₆ P₁

Il s’agit évidemment de valeurs moyennes, des variations sont présentes :

- Entre les individus,

- Entre les espèces,

- Entre les tissus,

- Et selon le milieu.

Approche biochimique : La biomasse est constituée de protides, de lipides et de glucides (molécules biogènes) et le milieu aqueux a un pH et une pression osmotique régulés.

§ Quantification :

Il y a plusieurs méthodes :

· Méthodes destructives :

j Détermination du poids sec :

- Soit par une approximation avec un poids en eau constant,

- Soit par un protocole de séchage : 95 – 120 °C pendant 48 H,

- Soit par lyophilisation : congélation de la biomasse suivie d’une sublimation.

Il y a une élimination de l’eau sans passer par de hautes températures qui causent la dénaturation des protéines et empêche une analyse fine de celle–ci.

Problème des organismes marins : Le sel détecté ne vient pas de la biomasse mais de l’eau.

· Méthodes non destructives :

k Détermination du poids frais

Problème des organismes à coquille : Faut–il compter le poids de la coquille sinon comment le soustraire ?

l Détermination du bio–volume et du nombre d’individus

Problème des organismes vivant en colonie : Il est difficile de déterminer la reproduction végétative avec les colonies.

Problème des arbres : On ne peut pas les couper (encore moins les déraciner) et les mettre sur une balance.

m Méthode analytique : calcul du contenu en Carbone, Azote (voire en Oxygène)

n Calcul énergétique via une « bombe énergétique ».

§ Contenu calorifique de la biomasse :

Glucide :	4,1 Kcal.g^–1 de Matière Sèche
Protide (acides aminés et peptides) :	5,5 Kcal.g^–1 de MS
Lipide :	9,3 Kcal.g^–1 de MS

Exemple de végétaux :

- Le bois d’un tronc : 4,5 Kcal.g^–1 de MS

Il est essentiellement composant de tissus pariétaux de polymères de glucide (cellulose et peptose) De plus, ces tissus sont résistants à la dégradation.

- La feuille verte : 4,7 Kcal.g^–1 de MS

Elle est constituée de tissus photosynthétiques, donc de protéines.

- L’algue marine : 4,9 Kcal.g^–1 de MS

Elle est riche en lipides.

Exemple d’animaux :

- Les insectes : 5,4 Kcal.g^–1 de MS

Ils présentent une accumulation de protéines et de lipides.

- Les vertébrés : 5,6 Kcal.g^–1 de MS

" Ce contenu calorifique va avoir des conséquences sur les chaînes alimentaires.

Exemple : Les Herbivores :

La valeur énergétique des végétaux est plus faible et la dégradation est plus lente.

Ils passent donc leur temps à se nourrir et ils sélectent les meilleures parties des végétaux : préférence pour les tissus jeunes.

§ Ordre de grandeur en grammes par seconde et par mètre carré :

" Mise en place de pyramides de biomasse à un temps donné (aucune dynamique)

· Forêt tropicale :

C2 : 1 Consommateurs secondaires

Détritivores D : 10 C1 : 4 Consommateurs primaires

P : 40 000 Producteurs primaires

Les consommateurs I^AIRE sont surtout des Insectes.

Les consommateurs II^AIRE sont surtout des Insectes et des Oiseaux insectivores.

Il y a aussi des vertébrés mais ils sont trop peu nombreux en grammes par mètres².

· Récif corallien :

C3 : 1 Consommateurs tertiaires

C2 : 11 Consommateurs secondaires

C1 : 132 Consommateurs primaires

P : 703 Producteurs primaires

Les consommateurs I^AIRE sont principalement des symbioses Animal – Algue (à l’intérieur de l’organisme)

Lorsque l’on compte les producteurs primaires, on compte les Algues libres et les Algues associées par une symbiose dans les C1.

Les consommateurs II^AIRE sont des Poissons phytophages ; alors que les consommateurs III^AIRE sont des Poissons ichtyophages.

· Plancton (manche) :

C2 : 1 Consommateurs secondaires

C1 : 21 Consommateurs primaires

P : 4 Producteurs primaires

Les producteurs I^AIRE : Phytoplancton,

Les consommateurs I^AIRE : Zooplancton herbivore,

Les consommateurs II^AIRE : Zooplancton carnivore.

La pyramide est inversée ; cela est dû à son aspect statique :

" Le Phytoplancton a une très grande productivité, plus grande que sa consommation par le zooplancton. En effet, le phytoplancton produit 1 à 2 son poids.

§ Ordre de grandeur en nombre d’individus par hectare :

· Forêt :

C3 : 5 Consommateurs tertiaires

C2 : 10 000 Consommateurs secondaires

C1 : 150 000 Consommateurs primaires

P : 20 Producteurs primaires

Les producteurs I^AIRE : Arbres,

Les consommateurs I^AIRE : Insectes phytophages,

Les consommateurs II^AIRE : Insectes carnivores,

Les consommateurs III^AIRE : Oiseaux insectivores.

· Système prairial :

C3 : 1 Consommateurs tertiaires

C2 : 90 000 Consommateurs secondaires

C1 : 200 000 Consommateurs primaires

P : 1 500 000 Producteurs primaires

Les producteurs I^AIRE : Poacées (Poa pratensis),

Les consommateurs I^AIRE : Insectes phytophages,

Les consommateurs II^AIRE : Insectes carnivores,

Les consommateurs III^AIRE : Oiseaux insectivores.

§ Ordre de grandeur en kilogramme de matière fraîche par hectare :

On l’utilise pour l’écosystème forestier européen.

Biomasse des Végétaux : 400 000

Biomasse des Invertébrés : 98

9 Arthropodes aériens : 10

9 Invertébrés de litière : 40

9 Lombric : 40

9 Autres insectivores du sol : 8

Biomasse des Vertébrés : 10,4

9 Mammifères : 7,4

9 Oiseaux : 1,3

9 Reptiles : 1,7

Il y a autant d’Arthropodes que de Mammifères.

Répartition de la biomasse : Sol : 88 %

Aérien : 20,4 %

Ø Production primaire :

§ Définition :

Soit P, la production primaire nette : c’est ce qui est disponible à la chaîne. Elle est exprimée en unité de poids par unité de surface par unité de temps.

En absence de consommation, elle peut être évoluée par une différence de biomasse.

( B_D_T+T – B_T )

P_Nette = P_Nette = P_Brute – P_Respiratoire

P_Respiration

P_Brute

Consommation

P_Nette

Augmentation de la Biomasse ( B_D_T+T – B_T )

§ Productivité :

(B_D_T+T – B_T) / DT

P/B = = Capacité de la biomasse à produire de la biomasse

B_T

§ Mécanisme de la production primaire :

Simplification de la réaction : CO₂ + H₂O 4 —HCHO— + O₂

112,3 kCal.mol_CO₂^–1

Il existe plusieurs types de photosynthèse : C3, C4, CAM, etc.

C3 : (vue en cours)

= Photosynthèse observée chez les végétaux des régions tempérées.

RuBPcase – oxydase

RuBP + CO₂ " 2 C3

Ac. phosphoglycérique

C4 :

= Photosynthèse observée chez les végétaux des régions tropicales.

PEPcase (= PhosphoÉnol Pyruvate carboxylase)

Phosphoénol pyruvate + CO₂ " Oxaloacétate

La photosynthèse CAM est plus particulière.

Évolution : La photosynthèse de type C3 est apparue en premier (durant le Cambrien et le Carbonifère) La photosynthèse de type C4 a été plus tardive et sa productivité est supérieure.

· Raisons de la surproduction de la photosynthèse C4 :

j La courbe de réponse de la photosynthèse en fonction de l’éclairement :

50 C4

Il y a une saturation

de la photosynthèse

25 de type C3 par l’éclairement

C3 plus rapide que du type C4

(" zone où il y a un meilleur éclairage)

Éclairage (en µmol.m^–2.s^–1)

1 000

" Il y a une différence de réponse de la photosynthèse pour la même quantité de lumière.

k La courbe de réponse de la photosynthèse en fonction de la concentration en CO₂ atmosphérique :

Teneur en CO₂

350 = teneur actuelle (qui tend à la hausse)

Quand la teneur en [CO₂] augmentera à cause de l’effet de serre, il y a aura une augmentation du substrat pour la photosynthèse de type C4. La saturation de celle–ci est plus rapide.

l L’activité respiratoire présente chez la photosynthèse C3 :

La RuBPcase a 2 activités : une activité carboxylase et une activité oxygénase. Ces 2 activités amènent aux réactions inverses et réversibles.

Bilan : 3 CO₂ fixés par l’activité carboxylase,

1 CO₂ libéré par l’activité oxygénase.

L’activité oxygénase fait diminuer le rendement de l’activité carboxylase.

Cette double activité n’est pas présente dans la photosynthèse de type C4. Elle va donc présenter un meilleur rendement et une meilleure production.

Les végétaux utilisant la photosynthèse C4 sont situés dans les régions tropicales comme le maïs, la canne à sucre ; il existe des espèces aussi des espèces existant dans les régions tempérées comme le roseau.

Þ Le type de la photosynthèse est le 1^er caractère influençant la production primaire ; mais il y a aussi la pérennité de l’espèce, etc.

· Biomasse, production et productivité :

	Espèce ou Phytocénose	Biomasse en tonnes de MF par hectare.	Production en tonnes de MF par hectare par an.	Productivité
C4 à base de ligneux	Forêt équatoriale	600	33	0,055
C4 à base de ligneux	Forêt tropicale	410	25	0,061
C4 à base de ligneux	Forêt de chênes	400	9	0,022
C4 à base de ligneux	Taïga	330	7	0,021
Herbacées	Prairie – Steppes	25	14	0,56
	Toundra (non arbustive)	5	1	0,20
	Culture (une seule espèce)	4 à 100	Au maximum 100 (exemple de la canne à sucre)	Élevée

Les ligneux présentent un important coût énergétique pour entretenir des tissus pérennes (non productif) comme le tronc, les racines, etc.

Les cultures présentent un cycle annuel.

La productivité est donc en fonction :

- Du type de photosynthèse ( C4 > C3 ),

- De la morphologie ( herbacée > ligneux ),

- De la pérennité ( plante annuelle > plante pérenne ),

- Des conditions du milieu.

§ Interactions entre la production primaire et la consommation :

· Effet de la consommation :

Exemple de la prairie avec plus ou moins d’Herbivores (= Bovins) :

- En absence d’Herbivores :

La prairie est bien jusqu’en avril – mai. En juin, il y a une importante sénescence due à une concurrence des végétaux entre eux (causant une baisse de disponibilité à la lumière et donc une baisse de la photosynthèse)

- En présence d’Herbivores :

Il y a un rajeunissement de la prairie

Il y a une croissance de type logistique :

Biomasse en poids

ou en K : charge biotique maximale

individus permise pour le milieu.

Consommation

Production max.

Consommation

Biomasse Biomasse

jeune âgée Temps en jours

La consommation de biomasse jeune favorise la production. La préférence des Herbivores est les tissus jeunes (riches en protides)

La croissance de type logistique a pour caractéristiques :

- Une fonction exponentielle positive,

- Une phase de croissance linéaire,

- Une fonction exponentielle négative.

dN K – N

Soit : = r . N .

dt K

= Résistance du milieu (ou terme d’autolimitation)

r = Résistance spontanée.

La biomasse jeune :

Elle est plus nutritive car elle contient : Moins de polymères,

Plus de protéines,

Moins de composés secondaires.

Elle possède le potentiel de renouvellement le plus important.

La sélectivité des Herbivore :

" Théorie « optimal foraging » : Les individus obtenant leur nourriture avec le coût énergétique le plus faible sont favorisés au cours de l’évolution.

Leur sélection a un effet sur la biodiversité.

Propriétés systématique : Toute exploitation de biomasse suscite une nouvelle production.

Les Herbivores permettent de diminuer la concurrence.

· Défense de végétaux :

Ils se défendent par l’accumulation de composés secondaires dans l’organisme. Celle–ci se fait :

- Soit par synthèse de composés qualitativement nocifs en quantité faible,

- Soit par synthèse de composés quantitativement importants mais en toxicité moindre.

Composés qualitativement nocifs en quantité faible :

- Les Alcaloïdes :

Il en existe plus de 10 000 types. Ils ont, pour caractéristique, un noyau hétérocyclique.

R₁ R₂

| |

- Les analogues structuraux des acides aminés :

Comme celui de la tyrosine : la dihydroxyphénylalanine :

HO C₃H₃O₃N₃

Il entre dans les enzymes et peut casser un site actif.

- Les composés cyanogènes, le cyanure HCºN :

Ils sont conservés précieusement par les végétaux et sont libérés lors de la digestion de ceux–ci (catalase, oxydase)

Composés quantitativement importants mais en toxicité moindre :

- Les Tannins, les Lectines :

La formation de ces macromolécules permet une résistance aux enzymes digestives.

Elle peut être inductible et communicable :

Quand les végétaux se font manger, il y a une augmentation de la synthèse de molécules comme le tannin et peuvent « prévenir » les autres végétaux.

Exemple : Les réserves de Koudou (grande antilope) avec les Acacias.

§ Défenses des végétaux et adaptations des consommateurs :

= « la course aux armements »

Exemple : Urtica diotica (l’Ortie)

Cette plante présente des poils urticants qui sécrètent de cristaux de silice. Ces cristaux créent des micro–incisions dans la peau qui vont être en contact avec les composés urticants (sérotonine, acide formique, etc.)

" La consommation d’Orties est inversement proportionnelle à la densité des poils urticants.

Les chenilles de Papillons consomment les feuilles d’Orties en coupant les poils urticants. D’autres chenilles qui s’approprient les composés urticants pour se protéger de ses prédateurs, les Oiseaux insectivores.

" Cela permet l’appropriation d’une ressource énergétique non précise

Þ intérêt pour les Herbivores.

Cela entraîne aussi une co–évolution. Par exemple, certains végétaux sécrètent des composés chimiques volatiles attirant les prédateurs des consommateurs de ces végétaux.

La diversité des adaptations (jeu du gendarme et du voleur) et les applications agroalimentaires et médicales sont multiples :

Composé :		Application :
Atropine	Atropa Bella donna	Ophtalmologie
Quinine	Chinchora officinalis	Paludisme
Acide acétyl–salycilique	Chrysanthemum	Agriculture
Tannin	(dans l’écorce de ligneux)	Utilisation dans le tannage

Ø Production secondaire :

Elle est assurée par les consommateurs primaires, secondaires, tertiaires (etc.) et les parasites. Il s’agit surtout d’animaux ; il arrive qu’il y ait des parasites végétaux.

La production nette, P_Nette = P_Brute – Respiration

DBiomasse = P_Nette – Consommation

(avec DBiomasse négatif ou positif)

L’évaluation de la production secondaire pose beaucoup de difficultés à cause de la consommation continue de la biomasse et de l’imbrication des chaînes alimentaires.

§ Méthodes de mesures :

· Méthode du bilan nutritionnel :

" bilan d’un individu, surtout dans un élevage (plus facile par l’absence de prédation)

Protocole :

Proposition de nourriture (biomasse)

Biomasse rejetée Biomasse ingérée

9 Croissance,

+ Respiration, Production brute

+ Urine,

+ Fèces. " Non assimilé = Sapromasse

Cette méthode est utilisée par les bio–techniciens pour augmenter le rendement.

· Méthode des échanges gazeux et de minéraux :

Il s’agit d’un travail uniquement possible dans des milieux très confinés avec des animaux de très petites tailles. Cette méthode est utilisée pour la production du zooplancton.

j Croissance du phytoplancton avec plus ou moins de zooplancton :

On en déduit la croissance du zooplancton et le taux de consommation.

k Récupération des fèces :

l Les excrétions :

On calcule la différence d’azote du milieu.

m La respiration :

On mesure des échanges gazeux.

· Méthode de suivi des cohortes :

Cohortes = groupes d’individus nés à la même période dans le même milieu. L’existence de cohortes est exploitée chez les espèces ayant une reproduction discontinue (lors d’une période précise)

Au temps T₁ :

Fréquence Génération la plus jeune

Mortalité

III

Génération la plus vielle

Taille, ou poids, ou …

" Distribution plurimodale : co–existence de plusieurs cohortes.

Au temps T₂ > T₁ :

Fréquence

Nouvelle génération (= recrutement)

III

Taille, ou poids, ou …

Ainsi, on peut récolter des informations comme le rythme de recrutement, la mortalité, la croissance (= vitesse de déplacement d’une cohorte sur le graphe)

Un tel dynamisme est exploitable par des modèles mathématiques avec des intégrales de polygones.

Ø Bilan énergétique :

Principe de Thermo–dynamisme : Conservation de l’énergie (avec des transformations)

§ Pour une plante :

1 000

500

Non utilisable

500 50

Réfléchi

Feuille

Production primaire nette 55

Absorption par

Oxydation dans les chloroplastes 400

les mitochondries 92 Glucose

Énergie perdue pour Énergie dépensée durant 50

la respiration la photosynthèse Transmis

Il s’agit du schéma du maïs (photosynthèse de type C4) : c’est un mécanisme à forte productivité (idéal) Le rendement est de 5,5% ; pour les végétaux de photosynthèse C3, le rendement de l’ordre de 1% à 1‰.

§ Pour un animal :

Énergie de la nourriture,

dite Brute C

Énergie des Fèces F

Énergie assimilée A

Énergie des déchets azotés U

Énergie métabolique

Chaleur liée à la digestion

Énergie physiologiquement R

utile

Activité (chaleur)

Énergie de croissance P

(= production)

A = C – F A = P + R + U

Exemples :

- Lombricus terrestris, Annélides : géophage, poïkilotherme.

R : 8,5 %

C P : 0,5 %

100 Cal NA

91 %

A / C = 9 % " La terre est une nourriture peu calorifique.

P / A = 5 % " Il y a un faible rendement de la production de biomasse.

- Locusta migratoria, Insectes (Criquet) : phytophage, poïkilotherme.

R : 22 %

C P : 12 %

100 Cal NA

66 %

A / C = 34 % " Les feuilles sont bien plus calorifiques.

P / A = 35 %

- Mustela nivelas, Mammifères (Belette) : carnivore (prédateur), homéothermes.

R : 88 %

C P : 2 %

100 Cal NA

10 %

A / C = 90 % " La régulation de la température corporelle et l’activité physique (mobilité pour la chasse) sont permanentes et réclament une grande énergie.

P / A = 2 %

D La production est l’augmentation de la biomasse, mais aussi la reproduction.

§ Bilan énergétique pour une chaîne trophique :

Production de la proie

Rendement d’exploitation (ou de consommation)

Énergie ingérée par un prédateur

Rendement d’assimilation

Non assimilée

Énergie assimilée

Excrétion

Rendement de production nette

Respiration

Production du consommateur

Rendement écologique

(= rendement trophique)

· Rendement d’exploitation :

Il est variable entre 1,5 (pour un ligneux essentiellement avec les Insectes phytophages)

à 80 – 100 % (pour un écosystème marin phytoplanctonique avec le zooplancton)

Il est en relation avec la productivité :

Plus la productivité est importante, plus cette espèce sera consommée.

Cas de productivité faible : Cas de productivité forte :

Biomasse : Biomasse :

Consommée

Produite Consommée

Produite

Productivité

Exemples :

- Une population de zooplancton produit 1/10^ème de son poids par jour.

- Une population de campagnols (lapins) produit 2,5 fois son poids par an.

- Une population de cerfs produit 0,25 son poids par an.

- Une population d’éléphants produit 1/20^ème de son poids par an.

Consommation

Il y a une corrélation avec la durée de vie et de taille.

" Propriétés systémiques.

· Rendement d’assimilation :

Il est en fonction de la biomasse, de la qualité nutritive de la production consommée.

On différencie les consommateurs en fonction de la nature de leur mode nutritionnel (géophage, phytophage, carnivore, etc.)

" Consommateurs économes – consommateurs gaspilleurs.

· Rendement de production nette :

Il s’agit du rapport de la différence de biomasse sur l’assimilation. Il est affecté par le mode de vie : la régulation thermique et l’activité.

L’élevage en batterie a pour principe de diminuer l’activité.

· Rendement écologique :

Ou rendement trophique

Production nette du consommateur

Il s’agit du rapport

Production nette du consommé

Il est généralement faible : il peut atteindre au maximum 20 %.

Exemples :

- Il faut 35 kg d’herbe fraîche pour la formation d’1 kg de viande de Bœuf.

Soit 7 kg d’herbe sèche pour la formation d’0,45 kg sec de viande de Bœuf.

Þ 6 %

- Il faut 5 kg de viande de poisson pour la formation d’1 kg de viande de Brochet.

Þ 20 %

Ce rendement varie en fonction de : –L’âge du consommateur,

–L’utilisation de l’énergie (homéotherme ou poïkilotherme),

–La taille de l’organisme.

Surface²

Le rapport diminue avec la taille.

Volume

(plus l’organisme est petit, plus il perd de la chaleur)

Rendements faibles :

Ceci est du à une dégradation par la chaleur de l’énergie le long des chaînes trophiques.

Si l’entropie d’un système augmente, cela entraîne une désorganisation.

Un système organisé, ordonné a pour caractéristique une richesse en information (ADN, protéines) Un tel système nécessite une plus grande énergie pour tout organiser.

Ø Bilan pour un écosystème :

§ Écosystème marin :

En g_Carbone.m^–2.an^–1

Rayonnement solaire

Phytoplancton

Production I^AIRE 100

30 Zooplancton

Boulettes fécales 55

Production nette 15 Perte respiratoire

Et fèces

4 Harengs

Production nette 2 Perte respiratoire

Benthos

Etc.

Le rendement trophique est de l’ordre de 10^–4 à 10^–6.

Ce schéma est simplifié : Il existe différents niveaux de phytoplancton par leur taille.

" Les plus petits ne sont pas emportés par le courant et stagnent à la surface, ce qui leur permet une meilleure fixation de l’Azote.

§ Écosystème terrestre :

Pyramide de production (flux) par unité de temps en Cal.ha^–1.an^–1

Garçon 20 . 10³

0,7 %

Veau 3 . 10⁶

8 %

Herbe 3,7 . 10⁷

0,02 %

Soleil 15,6 . 10¹⁰

Le rendement trophique est de l’ordre de 10^–7.

Ce schéma est simplifié : l’Homme n’est par carnivore mais omnivore.

Ø Connaissance de l’organisation trophique et leurs applications :

" Gestion des stocks Exemple du milieu halieutique (disparition de la Morue) :

Évaluation des stocks, des taux de renouvellement et fixation des quotas (prise et temps de pèche)

" Lutte biologique : Élimination des parasites autrement qu’avec des produits chimiques par des méthodes alternatives avec des prédateurs.

Exemple d’Opuntia stricta (piquet de barbarie) :

Cette Cactée a été introduite au Queensland en 1839 et s’est développée très rapidement au point de s’étaler sur 24 . 10⁶ Hectares en 1925 avec un accroissement de 0,4 . 10⁶ Hectares par an. Elle a donc été considérée comme plante envahissante (les moutons n’avaient plus d’herbe dans leurs pâtures)

Pour résoudre ce problème, on a implanté en très petite quantité une chenille de papillon, Cactoblastis cactorum, prédateur naturel et spécialisée dans cette Cactée qui a permis la régulation et le contrôle biologique.

Le même problème a été observé en Afrique, mais l’implantation n’a pas fonctionné parce que les chenilles ont été la proie d’une espèce de fourmis africaine.

" Écotoxycologie (= Étude du devenir des substances polluantes) :

Exemple de pesticides :

Il s’agit de molécules organochlorées comme la Dieldrine (ou le DDP) dont la synthèse est chimique et artificielle. Elles sont appelées molécules rémanentes parce qu’il n’existe pas de processus biologiques de dégradation chez les organismes, ce qui entraîne une bioconcentration le long des chaînes alimentaires.

Quantité de Dieldrine en ppm

Eau de mer Non détectable

Producteurs I^AIRES Phytoplancton 10^–3

Consommateurs I^AIRES Zooplancton 2 . 10^–2

Consommateurs I^AIRES Microphages 3 . 10^–2

(Alevins, Crustacée, etc.)

$ $

Consommateurs III^AIRES Oiseaux Poissons

0,1 (œufs) 0,2

Consommateurs IV^AIRES Cormorans 1,2 à 1,6

Ici, la bioconcentration résulte du fait que les 1^ers organismes sont filtreurs et du fait que la Dieldrine se fixe sur les lipides membranaires.

Conséquences pour le réseau trophique :

- Baisse de la fécondité des Cormorans,

- Baisse de la ponte par la fragilisation des coquilles et affaiblissement des jeunes.

" Disparition de colonies.

Il existe de nombreux exemples avec les pesticides :

- Le cas du village de Millamata :

Une usine larguait du Mercure dans l’océan empoisonnant les poissons qui étaient ensuite péchés par les villageois. On a observé de telles malformations chez les nouveaux nés que l’on a longtemps pensé que les causes d’un tel drame étaient les retombées nucléaires.

v Cycle biogéochimique :

Il existe 4 grands cycles : celui de l’Azote, du Carbone, du Phosphore et celui du souffre.

La notion de cycle fait entrer les notions de réservoirs et de flux entre ceux–ci.

Ø Cycle de l’Azote :