Fiche de révision : Biomes et cycles écologiques

📋 Plan du Cours

1. Définitions et niveaux écologiques
2. Facteurs écologiques et niche
3. Climat et environnement physique
4. Rayonnement solaire et biosphère
5. Température et adaptations
6. Eau et disponibilité hydrique
7. Zonation et biomes tropicaux
8. Biomes tropicaux
9. Biomes tempérés et froids
10. Biomes aquatiques
11. Réseaux et cascades trophiques
12. Énergie et productivité
13. Décomposition et contrôles écologiques
14. Cycles généraux et cycle de l’eau
15. Cycles du carbone et éléments

📖 1. Définitions et niveaux écologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Écologie : Science globale qui étudie les interrelations des êtres vivants entre eux et avec leur environnement.
• Population : Ensemble d’individus d’une même espèce vivant dans un même milieu.
• Écosystème : Ensemble des communautés d’organismes qui interagissent avec leur environnement physique et chimique.
• Biosphère : Ensemble des écosystèmes de la Terre.

📝 Points essentiels

• Le terme écologie signifie littéralement « science de l’habitat » et a été utilisé pour la première fois en 1866 par Ernst Haeckel.

📌 Le biotope correspond aux dimensions physico-chimiques et spatiales d’un écosystème, tandis que la biocénose correspond à la totalité des êtres vivants qui le peuplent.

💡 Astuce mémo

Individu → population → communauté → écosystème → biosphère

📖 2. Facteurs écologiques et niche

🔑 Notions clés & Définitions

• Facteur écologique : Paramètre physico-chimique ou biologique susceptible d’agir directement sur les êtres vivants et de conditionner le développement d’une entité biologique.
• Habitat : Lieu spécifique où vit une espèce ou une population, avec ses conditions abiotiques et ses ressources biotiques.
• Niche écologique : Place, fonction et ensemble des exigences écologiques propres à une espèce dans un peuplement.

★ À maîtriser

📌 La niche fondamentale regroupe les conditions permettant à une espèce de vivre sans contraintes biotiques, tandis que la niche réalisée correspond aux conditions qu’elle utilise réellement sous l’effet de la compétition, de la prédation et des pathogènes.

📌 La loi de Shelford établit que chaque espèce possède, pour chaque facteur écologique, un intervalle de tolérance compris entre une limite inférieure et une limite supérieure, au-delà desquelles l’individu meurt.

Compléments

📌 Une espèce euryèce tolère une grande amplitude de variation d’un facteur écologique, tandis qu’une espèce sténoèce ne tolère qu’une faible amplitude.

💡 Astuce mémo

Habitat = lieu de vie ; niche = fonction de l’espèce

📖 3. Climat et environnement physique

🔑 Notions clés & Définitions

• Climat : organisation météorologique mondiale — Le climat est la synthèse des conditions météorologiques d’une région, caractérisée par les statistiques à long terme des variables atmosphériques, généralement sur au moins 30 ans.

★ À maîtriser

• Les principaux paramètres physiques du climat sont:
  • la température
  • les précipitations
  • le rayonnement solaire
  • le vent
  • l’humidité

📌 Le climat conditionne la température moyenne, la disponibilité en eau et la saisonnalité, qui influencent la physiologie, la croissance, la reproduction et la survie des espèces.

• Le gradient latitudinal de diversité correspond à une diversité généralement plus importante près de l’équateur et plus faible près des pôles, sous l’effet combiné du climat, de l’énergie, de la stabilité et de l’histoire.

Compléments

• La circulation atmosphérique globale associe:
  • la cellule de Hadley
  • la cellule de Ferrel
  • la cellule polaire

💡 Astuce mémo

Climat → température, eau et saisonnalité → répartition du vivant

📖 4. Rayonnement solaire et biosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement solaire : Flux d’énergie radiative émis par le Soleil et principale source d’énergie de la biosphère.

📝 Points essentiels

• Environ 99 % de l’énergie solaire est concentrée entre 200 et 800 nm, et la moitié du flux se situe dans le visible entre 380 et 770 nm.

• L’atmosphère réfléchit environ 30 % du flux solaire, diffuse 8 % par les particules et laisse environ 52 % atteindre la surface terrestre.

📐 Formule — La photosynthèse convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique selon l’équation $6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.

📌 La loi du minimum indique que la photosynthèse ne peut pas convertir l’énergie lumineuse si un facteur nécessaire, comme la lumière, le CO2, l’eau ou la température, est déficitaire ou absent.

📌 Le cycle nycthéméral est un cycle environnemental externe de 24 heures lié à l’alternance jour-nuit, tandis que le cycle circadien est un biorythme interne d’environ 24 heures synchronisé par la lumière.

💡 Astuce mémo

Lumière : énergie pour la photosynthèse, signal pour les rythmes, contrainte par les UV

📖 5. Température et adaptations

🔑 Notions clés & Définitions

• Acclimatation : Adaptation physiologique individuelle à une variation du milieu, rendue possible par des mécanismes de régulation homéostasique.

★ À maîtriser

📌 Les espèces poïkilothermes ont une température interne qui varie avec l’environnement, tandis que les espèces homéothermes maintiennent une température interne presque constante.

📌 Les espèces endothermes produisent leur chaleur interne grâce au métabolisme, tandis que les espèces ectothermes dépendent principalement de la chaleur externe.

📐 Formule — La loi du Q10 décrit la variation de vitesse d’une réaction lorsque la température augmente de 10 °C selon $Q_{10}=\frac{V(\theta+10\,^{\circ}C)}{V_\theta}$, avec une valeur généralement comprise entre 2 et 3.

📌 La quiescence est un arrêt facultatif du développement ou de l’activité, tandis que la diapause est un arrêt obligatoire, prolongé et régulé, souvent déclenché avant les conditions défavorables.

Compléments

📌 La règle de Bergmann indique que, chez les vertébrés à sang chaud répartis sur plusieurs zones climatiques, la taille et la masse tendent à augmenter avec la latitude afin de réduire les pertes de chaleur.

💡 Astuce mémo

Poïkilotherme : température variable ; homéotherme : température stabilisée

📖 6. Eau et disponibilité hydrique

★ À maîtriser

• L’eau représente 60 à 95 % de la masse des êtres vivants et constitue le milieu réactionnel de l’ensemble des processus métaboliques.

• Les océans contiennent environ 96,5 % de l’eau terrestre, tandis que les eaux de surface utilisables ne représentent qu’environ 0,013 %.

📐 Formule — L’indice d’aridité compare les précipitations annuelles à l’évapotranspiration potentielle selon $I_a=\frac{P}{ETP}$, avec un climat hyperaride pour $I_a<0{,}05$ et humide pour $I_a>0{,}65$.

📌 Les euryhygres tolèrent une large gamme de conditions hydriques, tandis que les sténohygres ne tolèrent qu’une gamme étroite.

• L’anhydrobiose est un état de vie ralentie permettant de survivre à une déshydratation quasi totale, avec une teneur en eau inférieure à 1 % de la teneur normale.

Compléments

• Les xérophytes limitent les pertes d’eau par une cuticule épaisse, des stomates enfoncés, une pilosité dense, des feuilles réduites et des systèmes racinaires adaptés.

💡 Astuce mémo

Température et substrat → disponibilité de l’eau → répartition des organismes

📖 7. Zonation et biomes tropicaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Biome : Grande unité écologique définie par son climat, sa végétation dominante et les fonctionnements écologiques associés.

★ À maîtriser

• Alexander von Humboldt a fondé la phytogéographie et a décrit l’étagement de la végétation lors de l’ascension du Chimborazo, établissant une analogie entre altitude et latitude. — Essai sur la géographie des plantes, 1807

• Les forêts tropicales et subtropicales humides sont des forêts ombrophiles chaudes, sans saison sèche marquée, recevant plus de 1800 mm de précipitations annuelles et présentant une forte diversité.

• Les trois types de savanes selon les précipitations sont:

  • la savane guinéenne
  • la savane soudanienne
  • la savane sahélienne

Compléments

• Les trois strates des forêts tropicales sèches sont:
  • les graminées
  • les buissons épineux et arbustes
  • les arbres matures

💡 Astuce mémo

Climat → végétation dominante → fonctionnement écologique → biome

📖 8. Biomes tropicaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Biocénose : Association d’un même type dominant de formation végétale, la phytocénose, et de la faune associée, la zoocénose, dans une aire bioclimatique.

★ À maîtriser

• Les forêts tropicales et subtropicales humides, aussi appelées forêts ombrophiles, sont des forêts à arbres sempervirents, réparties en Amérique du Sud et centrale, en Afrique centrale et en Asie du Sud-Est.

• Elles présentent:

  • un tapis forestier ou une litière
  • une strate arbustive
  • une canopée d’environ 30 à 40 m
  • une strate supérieure à la canopée

• Les trois types de savanes selon les précipitations sont:

  • la savane guinéenne arborée
  • la savane saoudienne à faible couverture arborée
  • la savane sahélienne arbustive évoluant vers la steppe désertique

• Les déserts présentent une pluviométrie inférieure à 100 mm par an, de fortes températures et de grandes variations thermiques entre le jour et la nuit.

Compléments

• Le diagramme de Holdridge prend en compte:
  • la température
  • les précipitations annuelles et l’humidité
  • le potentiel d’évapotranspiration
  • la latitude et l’altitude

💡 Astuce mémo

Forêts humides abondantes en eau, déserts limités par la sécheresse

📖 9. Biomes tempérés et froids

📝 Points essentiels

• Les forêts tempérées de conifères, aussi appelées forêts ombrophiles tempérées, reçoivent 800 à 3000 mm de précipitations annuelles, dont 80 % en hiver, et sont dominées par de grands conifères.

• Les forêts tempérées caducifoliées et mixtes se caractérisent par des étés autour de 30 °C, des hivers autour de 0 °C et des précipitations uniformes de 750 à 2500 mm par an.

📌 Le taillis simple regroupe des arbres issus de rejets de souche, tandis que la futaie regroupe des arbres issus de graines et peut être régulière lorsque tous les arbres ont le même âge.

• Les prairies tempérées sont le biome terrestre le plus vaste, dominé par les poacées, avec des précipitations saisonnières de 300 à 500 mm par an, des étés autour de 30 °C et des hivers inférieurs à −10 °C.

• La taïga, ou forêt boréale, représente 30 % des forêts du globe et possède des hivers durant six mois avec des températures pouvant atteindre −30 à −70 °C en janvier.

• La toundra possède un mois le plus chaud inférieur à 10 °C, moins de trois mois sans gelées et des précipitations inférieures à 250 mm par an, ce qui en fait un désert froid.

💡 Astuce mémo

Tempéré puis taïga, puis toundra

📖 10. Biomes aquatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Estuaire : Zone de mélange entre l’eau salée de la mer et l’eau douce, produisant une eau saumâtre riche en nutriments et en minéraux.

📝 Points essentiels

• Le classement des biomes aquatiques dépend:
  • de la salinité
  • de la température
  • de la turbidité et de l’énergie solaire
  • de la profondeur
  • du taux d’oxygène dissous
  • de la présence de substances nutritives

📌 Les lacs et les étangs sont des milieux lentiques à eau stagnante, tandis que les rivières et les ruisseaux sont des milieux lotiques à eau courante.

📌 Dans les biomes marins, la zone photique reçoit l’énergie solaire, tandis que la zone aphotique ne reçoit pas de lumière.

💡 Astuce mémo

Milieux lentiques stagnants, milieux lotiques courants

📖 11. Réseaux et cascades trophiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Réseau trophique : Ensemble des espèces d’une biocénose reliées par des liens trophiques qui assurent les flux d’énergie et de matière dans la communauté.
• Cascade trophique : Effet indirect par lequel une population prédatrice modifie l’abondance des organismes situés sur plusieurs niveaux trophiques.
• Espèce clef de voûte : Bob Paine, 1969 — Espèce dont le retrait provoque des changements significatifs dans le réseau d’interactions et la stabilité de la communauté.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La connectance d’un réseau trophique correspond au rapport entre le nombre de liens réels et le nombre de liens possibles : $C = \frac{\text{nombre de liens réels}}{\text{nombre de liens possibles}}$.

• Selon Elton, les chaînes alimentaires comportent rarement plus de quatre liens, soit généralement au maximum cinq niveaux trophiques.

💡 Astuce mémo

Retrait d’un prédateur → cascade trophique dans le réseau

📖 12. Énergie et productivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Organismes autotrophes au carbone : Organismes qui réduisent le CO2 minéral en molécules organiques en consommant de l’énergie et constituent les producteurs primaires des réseaux trophiques.

★ À maîtriser

• Le carbone, l’oxygène, l’hydrogène et l’azote représentent 97 % de la masse des végétaux, et l’ajout du phosphore et du soufre porte cette proportion à 99 %.

📌 La pyramide de biomasse peut être inversée dans les écosystèmes aquatiques, mais la pyramide des productivités ne peut jamais être inversée à cause des pertes d’énergie entre niveaux trophiques.

• L’efficience écologique entre deux niveaux trophiques est d’environ 10 %, le reste de l’énergie étant perdu par respiration, excrétion et matière non digérée. — Raymond Lindeman, 1942

Compléments

• La respiration végétale comprend:
  • la respiration de croissance
  • la respiration de maintenance
  • la respiration racinaire

💡 Astuce mémo

Producteurs → consommateurs → détritivores et décomposeurs

📖 13. Décomposition et contrôles écologiques

★ À maîtriser

📌 La décomposition désigne la dégradation des organes ou tissus végétaux, tandis que la minéralisation désigne la dégradation de l’ensemble des molécules organiques d’un sol ou d’un sédiment.

• Les détritivores sont notamment des arthropodes, tandis que les décomposeurs sont principalement des champignons et des bactéries.

📌 Le contrôle bottom-up va de la production primaire vers les niveaux supérieurs, tandis que le contrôle top-down va des prédateurs vers les niveaux inférieurs.

Compléments

📌 Lorsque la production primaire est faible, les niveaux trophiques supérieurs sont également limités dans un contrôle bottom-up.

💡 Astuce mémo

Bottom-up du producteur vers le sommet, top-down du prédateur vers la base

📖 14. Cycles généraux et cycle de l’eau

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle biogéochimique : Interaction continue entre les facteurs abiotiques et les organismes vivants, accompagnée d’une circulation de matière entre le biotope et la biocénose.

📝 Points essentiels

• Les producteurs captent les éléments minéraux, les consommateurs transfèrent la matière organique dans les réseaux trophiques et les décomposeurs minéralisent la matière en restituant les éléments au milieu inorganique.

• Les trois types de cycles sont:

  • le cycle de l’eau
  • les cycles à phase gazeuse du carbone, de l’azote et de l’oxygène
  • les cycles sédimentaires du soufre et du phosphore

• Les océans contiennent 97 % de l’eau terrestre, tandis que l’atmosphère ne contient que 12,7 km3 d’eau mais constitue le compartiment atmosphérique le plus important pour les échanges du cycle.

• 🔄 L’excédent d’eau continental rejoint les océans par:

  1. l’infiltration et la percolation
  2. l’évapotranspiration
  3. le ruissellement

💡 Astuce mémo

Évaporation → précipitation → infiltration, évapotranspiration ou ruissellement

📖 15. Cycles du carbone et éléments

🔑 Notions clés & Définitions

• Puits de carbone : Réservoir qui absorbe plus de carbone qu’il n’en émet sur une période donnée, ce qui diminue la quantité de carbone atmosphérique.

★ À maîtriser

📌 Le carbone organique est produit par les organismes vivants et intégré aux molécules organiques, tandis que le carbone inorganique se trouve notamment dans le CO2 atmosphérique et les carbonates.

• Les quatre grands réservoirs du carbone sont:
  • l’atmosphère
  • la biosphère
  • la lithosphère
  • l’hydrosphère

📌 Le cycle rapide du carbone organique s’effectue sur quelques jours à quelques siècles, tandis que le cycle lent du carbone minéral s’étend sur des milliers à des millions d’années et implique des processus géologiques.

• Seulement 50 % des émissions anthropiques de carbone sont réabsorbées, environ 26 % par les océans et 24 % par la biosphère, tandis que le reste s’accumule dans l’atmosphère.

• La combustion des combustibles fossiles et la déforestation augmentent le CO2 atmosphérique, ce qui contribue au réchauffement climatique et à l’acidification des océans par formation d’acide carbonique.

• Le cycle du phosphore est un cycle sédimentaire ouvert, très long, dans lequel le phosphore est majoritairement présent sous forme de phosphate et retourne faiblement des océans vers les continents.

Compléments

• Les trois apports naturels de soufre sont:
  • les embouchures maritimes
  • le volcanisme
  • les fermentations anaérobies

💡 Astuce mémo

Cycle rapide biologique, cycle lent géologique

📊 Tableaux de synthèse

Niveaux et composantes écologiques

Cycle nycthéméral et cycle circadien