Cours d'écologie

Alain SALVIIUT Génie Biologique Thionville-Yutz

Université Paul Verlaine Metz

L'énergie dans l'écosystème

1. L'énergie solaire

Flux radiatif solaire = source essentielle du flux énergétique dans la plupart des écosystèmes

0,2 99% E véhiculée < 4

0,38 42% E < 0,75 (partie visible du spectre)

Énergie incidente

au sommet de l’atmosphère : 350 W/m2 ( 7,2 x 106 calories/m2/jour)

Absorption d’une part importante des UV par la couche d’O3

Absorption et diffusion par poussières, aérosols, molécules d’air, gouttelettes d’eau…

50% de l’E mesurée au sommet de l’atmosphère arrive à la surface de la planète

Part importante réfléchie par la surface (albédo)

Part importante absorbée par la surface (cf. effet de serre)

80-90 W/m2 < apport moyen < 200-290 W/m2

(pôles) (régions équatoriales)

2. Action biologique de la lumière

2.1. La photosynthèse

2.1.1. Rappels sommaires

La chlorophylle permet l'autotrophie :

photons6 CO2 + 6 H2O (C6H12O6) + 6 H2O + 6 O2

chlorophylle

La photosynthèse n'utilise que 21% du flux radiatif total parvenant à la surface de la terre.

2.1.2. Spectre d'absorption et d'action de la chlorophylle

bleu : 0,38 < max 0,43 < 0,44 micromètres

rouge : 0,62 < max 0,63 < 0,68 micromètres

rôle « réflecteur » possible d'autres pigments (carotènes, xanthines, xanthophylles…)

variabilité selon l'âge et les organes de la plante

2.2. Adaptation des végétaux à l'énergie incidente

de l'intensité optimale (I opt) à la photo inhibition

2.3. Rythmes d'éclairement et activité biologique

photopériode et chronobiologie

rythmes journaliers : circadiens, nycthéméraux

rythmes saisonniers, rythmes annuels, lunaires

3. L'énergie auxiliaire

3.1. Définitions

Énergie participant au fonctionnement de l'écosystème sans transiter par la biomasse

Énergie de mise en mouvement des fluides (masses d'eau et d'air), E de transport de matière

3.2. Exemple : estimation de l'énergie auxiliaire de laphotosynthèse grâce au coefficient transpiratoire (CT)

dans 1 ha de prairie, 2000 t d'eau nécessaires pour produire 20 t de matière fraiche --> coeff transpiratoire : 2 000/20 = 100

pour 12 g de C assimilé il faut : 470 J (réaction photosynthétique) 17 000 J (évaporation d'eau pour montée sève brute)

dans une prairie E auxiliaire = 36 x E photosynthèse

pour divers écosystèmes facteur estimé en général entre 10 et 25 x

3.3. Autres formes d'énergie auxiliaire

dans les écosystèmes aquatiques : rôle de l'énergie cinétique(vents, turbulences, courants de convection)

énergie auxiliaire d'origine végétale : « croissance vers la lumière »

énergie auxiliaire d'origine animale : bioturbation des Lombrics

énergie auxiliaire d'origine humaine (« artificielle »)

3.4. Conclusion : l'énergie auxiliaire : une énergie de "covariance"

nécessité d'une coincidence dans le temps et l'espacedes éléments d'un écosystème pour garantir son fonctionnement :les éléments doivent « varier ensemble »

E auxiliaire établit le contact entre les éléments

3.4. Schéma général de l'écosystème

Les transferts d'énergie et de matière dans les écosystèmes

1. La production primaireVitesse à laquelle se forme par unité de temps une quantité

donnée de matière organique à partir de matière minérale et d'énergie (masse de C assimilé par u de temps)

Réalisée par organismes autotrophes : premier niveau trophique de la chaine alimentaire

Végétaux : autotrophes les plus connus, phototrophes

D'autres organismes sont chimiotrophes

Production de matière organique résulte de mécanismes biochimiques

La photosynthèse est génératrice de matière organique

E. solaire convertie en E. chimique (synthèse d'AMP, ADP, ATP)

Synthèse de molécules carbonées (G, L, P) porteuses d'E. potentielle qui constituent la biomasse végétale = masse de matière végétale présente à un moment donné dans un milieu donné

Photosynthèse = transformation d'énergie lumineuse en E. chimique stockée dans des molécules organiques

2. Rendement de la photosynthèse et productivité

- efficience énergétique de la photosynthèse =

quantité d'E. stockée dans la biomasse quantité d'E. disponible du rayonnement solaire

- valeur moyenne comprise entre 0,45 et 0,9%ordre de grandeur retenu 1%

- variable selon les plantes et régions du globe

- on définit aussi la productivité = rendement par rapport à la biomasse = P/B

et à l'inverse la vitesse de renouvellement B/P

3. Production brute et production nette

- production brute = quantité de matière produite par U. de temps. Résultat de la photosynthèse réelle

- production nette = production brute – pertes métaboliques (respiration, excrétions, ...). Résultat de la photosynthèse apparente

4. Ordre de grandeur de la production 1aire nette

- forêts tropicales (28,8%) et océans (24,4%)

- productivité écosystèmes aquatiques > écosystèmes terrestres

- agrosystèmes : temps de renouvellement de la biomasse très court ; production annuelle totalement exportée

2. La production secondaire

- biomasse produite par U. de temps par les consommateurs

- transforment la MO des producteurs primaires

--> consommateurs sont des organismes hétérotrophes

Les différents niveaux trophiques d’une chaîne alimentaire

3. Rendements énergétiques

3.1. Cf. production primaire : Productivité (P/B) – Turn over (B/P)

3.2. Efficiences ou rendements énergétiques

Efficience énergétique = rapport entre flux énergétiaue sortant et flux entrant

c'est à dire : E(énergétique) = énergie fixée / énergie reçue

notion globale qui mérite d'être précisée

On définit alors :

efficience de consommationE(consom.) = I (énergie ingérée contenue dans l'aliment consommé) / énergie contenue dans la nourriture disponible

efficience d'assimilationE(assimilation) = énergie assimilée (A) / I (énergie ingérée contenue dans l'aliment consommé)

efficience de production netteE(prod. nette) = énergie fixée (N, énergie nette) / énergie assimilée (A)

efficience écologiqueE(écologique) = énergie fixée (N, énergie nette) / I (énergie ingérée contenue dans l'aliment consommé)

Rendementsénergétiques

E assimilation = A/I

E production nette = N/A

E écologique = N/I

Remarque 1 : animaux homéothermes et animaux poïkilothermes

Ex. : rendements de bovins dans 2 prairies différentesRemarque 2 : agrosystèmes et écosytèmes

Eff. photosynthèseEff. consommationEff. écologique

1,05 %17%

6,84 %

1,4 %47 %15,6 %

4. Flux d'énergie à travers un réseau trophique

Enormes pertes dans les transferts d'E. au travers d'un réseau trophique : écosystèmes sont constamment dissipatifs

Au niveau des P1 PB = PN + R1flux = Production nette des P1 + pertes respiratoires

Au niveau des C1 A1 = PS1 + R2flux = Energie fixée par les C1 + pertes respiratoires

Au niveau des C2 A2 = PS2 + R3flux = Energie fixée par les C2 + pertes respiratoires

Au niveau des détritivores et des décomposeurs :- récupération de l'E stockée dans tout ce qui n'est pas utilisé- subissent aussi des pertes métaboliques (par respiration ou fermentation)

5. Organisation hiérarchique des biocénoses

5.1. Pyramides écologiques classiques

Pyramide des nombres :

taille augmente lorsque nombre diminueprolificité diminue aussi avec le nombrepyramide inversée pour les parasites

Pyramide des biomasses : comparable à pyramide des nombres

Cas particulier des écosystèmes océaniques

Non inversée pour les parasitesPréférable de travailler en biomasse de matière sèche

Pyramides des énergies : intérêt majeur car met en évidence les pertes métaboliques

5.2. Les décomposeurs et leur place dans les pyramides

Biomasse faible

Métabolisme très élevé

Rôle dans le recyclage de la matière : bouclent les cycles de matière (reminéralisation)

ex. : transferts d'E. dans une prairieprod photosynthétique 16 700 kcal/m2/j dont :

2400 perdus par respiration1 614 prélevés par les herbivores (bétail et autres)

76% prod primaire (12 686 kcal) reste au sol ss forme de MO morte

87 % (10 576) transformée par Bactéries et Mycètes8% (1 000) transformée par les Protozoaires5 % transformée les par autres invertébrés du sol