Fiche de révision : Flux d’énergie et cycles écologiques

📋 Plan du Cours

1. Écosystèmes et agrosystèmes
2. Flux et productivité primaire
3. Facteurs de production primaire
4. Production secondaire et transferts trophiques
5. Décomposition et recyclage
6. Cycle du carbone et acidification
7. Cycle de l’azote et dénitrification
8. Eutrophisation et perturbations humaines

📖 1. Écosystèmes et agrosystèmes

🔑 Notions clés & Définitions

• Écosystème : Association d’une biocénose, c’est-à-dire l’ensemble des êtres vivants, à un biotope, leur milieu de vie.
• Fonctionnement d’un écosystème : Jax, Function and “functioning” in ecology: what does it mean?, 2005 - Ensemble des processus biologiques et physiques qui maintiennent le système écologique.

★ À maîtriser

📌 Un agrosystème se distingue d’un écosystème par une énergie auxiliaire contrôlée par l’être humain, une très faible diversité et des plantes dominantes sélectionnées artificiellement.

Compléments

• L’agriculture mobilise 30 % des terres.

• Les processus écosystémiques comprennent :

  • les cycles biogéochimiques
  • la production primaire
  • la purification de l’eau
  • la pollinisation

💡 Astuce mémo

Écosystème diversifié ; agrosystème piloté par l’humain

📖 2. Flux et productivité primaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Productivité primaire : Production de matière organique ou de biomasse par unité de surface ou de volume et par unité de temps.

★ À maîtriser

• La photosynthèse fixe la lumière et convertit l’énergie solaire en énergie chimique, permettant l’entrée d’énergie et la production de matière organique dans l’écosystème.

Compléments

• La productivité primaire varie selon les écosystèmes et s’exprime notamment en g/m²/an.

• Les organismes photosynthétiques produisent environ 100 milliards de tonnes de matière organique chaque année sur Terre.

• La production primaire nette (PPN) représente environ 1 à 3 % de l’énergie solaire selon les espèces.

• La biomasse produite est d’environ 48,3 Pg C/an dans les océans et 56,4 Pg C/an sur terre.

💡 Astuce mémo

Photosynthèse → énergie chimique et matière organique

📖 3. Facteurs de production primaire

★ À maîtriser

• Les facteurs de variation de la PPN terrestre sont :
  • la radiation et la température
  • l’eau
  • les nutriments
  • la diversité
  • l’herbivorie

• La déficience en nutriments minéraux, notamment en phosphore et en azote, limite la production primaire terrestre, et l’apport d’engrais peut l’augmenter.

📌 L’herbivorie peut stimuler la croissance de nombreuses espèces par croissance compensatoire, mais une herbivorie trop intense réduit la productivité primaire. - McNaughton, 1976

• En milieu aquatique, la lumière et les nutriments sont les deux grands facteurs limitants de la productivité primaire.

Compléments

• La richesse en espèces est fortement corrélée à la productivité primaire. - Tilman et al., 2001

• La variabilité annuelle est associée à :

  • la radiation solaire
  • la sécheresse estivale
  • l’herbivorie

📖 4. Production secondaire et transferts trophiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Production secondaire : Production de biomasse par des hétérotrophes qui consomment d’autres organismes.
• Efficience de consommation : Proportion de biomasse disponible qui est consommée.
• Efficience d’assimilation : Rapport entre l’énergie assimilée et l’énergie ingérée.
• Efficience de production : Proportion d’énergie assimilée incorporée pour former de la biomasse.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’efficience de transfert entre niveaux trophiques, appelée rendement écologique, est égale au produit des efficacités de consommation, d’assimilation et de production : $ET = EC \times EA \times EP$.

Compléments

• Les consommateurs primaires sont des herbivores et les consommateurs secondaires sont des carnivores.

• La production secondaire est fortement corrélée à la production primaire.

• Dans une prairie normande, le rendement écologique des consommateurs primaires est de 10,7 %.

📖 5. Décomposition et recyclage

🔑 Notions clés & Définitions

• Décomposition : Désintégration de matière organique morte, qui minéralise les nutriments et transforme les molécules complexes en CO₂, eau et éléments inorganiques.
• Détritivores : Invertébrés de groupes taxonomiques variés qui se nourrissent de matière organique morte et de détritus.

★ À maîtriser

• La décomposition commence par la colonisation de la matière organique morte par des bactéries, des archées et des champignons, puis des microbes spécialisés dégradent les molécules complexes comme les lignines, les celluloses et les protéines complexes.

Compléments

• La quantité annuelle de matière organique retournant au sol varie de quelques tonnes à des dizaines de tonnes par hectare.

• Les cellulases dégradant les celluloses sont produites par des bactéries ou des champignons, parfois en mutualisme avec les détritivores.

📖 6. Cycle du carbone et acidification

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle biogéochimique : Transport et transformation cycliques d’un élément entre les grands réservoirs.

★ À maîtriser

• Les processus clés du cycle du carbone comprennent :
  • la photosynthèse, qui fixe le CO₂
  • la respiration cellulaire
  • l’activité volcanique
  • la combustion des énergies fossiles

• L’augmentation du CO₂ dissous forme de l’acide carbonique et abaisse le pH de l’océan de 0,1, ce qui affecte les organismes calcifiants ainsi que d’autres organismes.

Compléments

• Les grands réservoirs de carbone sont :

  • les sols
  • les océans et les sédiments aquatiques
  • la biosphère
  • la lithosphère

• L’océan est un puits de carbone, notamment par la photosynthèse, l’enfouissement de matière organique dans les fonds marins et la formation de coquilles à partir de carbone et de calcium.

• L’augmentation du CO₂ atmosphérique et la hausse des températures diminuent la solubilité du CO₂ dans l’océan.

💡 Astuce mémo

CO₂ dissous → acidification océanique → effets sur les organismes calcifiants

📖 7. Cycle de l’azote et dénitrification

★ À maîtriser

• 🔄 Les transformations principales du cycle de l’azote sont : la fixation bactérienne fait entrer principalement le N₂ dans l’écosystème, l’ammonification produit de l’ammoniaque à partir de matière organique, la nitrification transforme l’ammoniaque en nitrate, la dénitrification transforme le nitrate en N₂ qui retourne à l’atmosphère

📌 La dénitrification est une respiration microbienne anaérobie qui produit soit du diazote (N₂), soit du protoxyde d’azote (N₂O).

Compléments

• L’azote est essentiel aux protéines, aux acides aminés et aux acides nucléiques, et ses grands réservoirs comprennent l’atmosphère, les sols et les sédiments.

• L’atmosphère est composée à 78 % de N₂.

• Les apports d’azote synthétique sont largement supérieurs à la fixation naturelle de l’azote. - Battye et al., 2017

• Le protoxyde d’azote est un gaz à effet de serre qui détruit la couche d’ozone.

💡 Astuce mémo

N₂ atmosphérique → ammoniaque → nitrate → N₂

📖 8. Eutrophisation et perturbations humaines

🔑 Notions clés & Définitions

• Eutrophisation : Déséquilibre provoqué par un excès de nutriments, notamment l’azote ou le phosphore d’origine agricole et les eaux usées.

★ À maîtriser

• 🔄 L’eutrophisation aquatique conduit à : une croissance excessive des plantes, des cyanobactéries et des algues, une consommation d’oxygène supérieure à sa production, l’asphyxie des écosystèmes aquatiques

• Dans les sols, l’azote limite la productivité et contribue à déterminer la diversité des écosystèmes; un excès favorise les espèces nitrophiles au détriment des autres. - Stevens et al., 2010

Compléments

• La décomposition bactérienne consomme de l’oxygène, la diminution de lumière dans les couches profondes réduit la photosynthèse et l’eutrophisation empêche les échanges gazeux avec l’atmosphère.

• Les zones côtières mortes associées à l’eutrophisation couvrent 245 000 km².

• En 2019, la concentration atmosphérique de protoxyde d’azote était de 332 ppb. - IPCC, 2021

• Le potentiel de réchauffement du protoxyde d’azote est 265 à 298 fois celui du CO₂. - European Environment Agency (EEA)

💡 Astuce mémo

Excès de nutriments → prolifération → baisse d’oxygène → asphyxie