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Contenu principal

Flux d'énergie et production primaire

Points clés

  • Les producteurs primaires – généralement les plantes et autres "photosynthétiseurs" – sont la porte d'entrée permettant à l'énergie d'arriver dans le réseau alimentaire.
  • La production est la vitesse à laquelle l’énergie est ajoutée aux corps d’un groupe d’organismes – comme les producteurs primaires – sous forme de biomasse.
  • La production brute est le taux global de capture d'énergie. La production nette est plus faible, ajustée en fonction de l'utilisation de l'énergie par les organismes pour leur métabolisme (respiration cellulaire).
  • Le transfert d'énergie entre les niveaux trophiques est inefficace. Seulement 10 % de la productivité nette d'un niveau correspond à la productivité nette du niveau suivant.
  • Les pyramides écologiques sont des représentations visuelles du flux d'énergie, de l'accumulation de biomasse et du nombre d'individus à différents niveaux trophiques.

Introduction

Vous êtes-vous déjà demandé ce qu'il se passerait si toutes les plantes de la Terre comme les photosynthétiseurs, les algues et les bactéries disparaissaient ?
Eh bien, notre belle planète paraîtrait sans aucun doute stérile et triste. Nous perdrions également notre principale source d'oxygène, que nous respirons et que nous utilisons pour le métabolisme. Le dioxyde de carbone dans l'air ne serait plus purifié, ce qui entrainerait un réchauffement de la Terre comme il capte normalement la chaleur. Et, peut-être que le plus problématique est que presque tous les êtres vivants de la Terre finiraient par manquer de nourriture et mourir.
Pourquoi est-ce le cas ? Dans presque tous les écosystèmes, les photosynthétiseurs sont la seule "porte d'entrée" pour que l'énergie circule dans les réseaux d'organismes qui se mangent les uns les autres. Si on retirait les photosynthétiseurs, le flux d'énergie serait coupé et les autres organismes seraient à court d'aliments. Ainsi, les photosynthétiseurs forment les bases de chaque écosystème récepteur de la lumière.

Les producteurs sont la passerelle énergétique

Les végétaux, les algues et les bactéries photosynthétiques agissent en tant que producteurs. Les producteurs sont des autotrophes, ou des organismes qui s'autoalimentent, qui fabriquent leurs propres molécules biologiques à partir du dioxyde de carbone. Les organismes photoautotrophes, comme les plantes, utilisent l'énergie de la lumière pour construire des sucres à partir du dioxyde de carbone. L'énergie est stockée dans les liaisons chimiques des molécules qui sont utilisées comme combustible et matériau de construction par la plante
L'énergie stockée dans des molécules organiques peut être transmise à d'autres organismes de l'écosystème lorsque ces organismes mangent des plantes ou d'autres organismes qui ont déjà été mangés par des plantes. De cette façon, tous les consommateurs — ou hétérotrophes, organismes se nourrissant des autres — d'un écosystème dépendent des producteurs d'énergie de l'écosystème. Les consommateurs comprennent des herbivores, des carnivores et des décomposeurs.
Si on retirait les plantes ou les autres producteurs d'un écosystème, il n'y aurait aucun moyen pour l'énergie d'entrer dans le réseau alimentaire, et la communauté écologique s'effondrerait. C'est parce que l'énergie n'est pas recyclée, mais parce qu'elle se dissipe sous forme de chaleur au fur et à mesure qu'elle se déplace dans l'écosystème qu'elle doit être constamment reconstituée.
Crédit d'image : basé sur une image similaire de J. A. Nilsson1
Comme les producteurs soutiennent tous les autres organismes dans un écosystème, l'abondance de producteurs, leur biomasse – ou la matière sèche – et le taux de capture de l’énergie sont essentiels pour comprendre comment l’énergie se déplace dans un écosystème et quels types et nombres d’autres organismes elle peut alimenter.

La production primaire

En écologie, la production est la vitesse à laquelle l'énergie est ajoutée aux corps des organismes sous forme de biomasse. La biomasse est simplement la quantité de matière stockée dans les corps d'un groupe d'organismes. La productivité peut être définie pour n'importe quel niveau trophique ou autre groupe, et elle peut s'exprimer en unités d'énergie ou de biomasse. Il existe deux types de productivité de base : brut et net.
Pour illustrer la différence, considérons la production primaire, c'est-à-dire la productivité des producteurs primaires d'un écosystème.
  • La production primaire brute, ou PPB, est la vitesse à laquelle l'énergie solaire est capturée dans des molécules de sucre lors de la photosynthèse. L'énergie est capturée par unité de surface par heure. Les producteurs tels que les plantes utilisent une partie de cette énergie pour le métabolisme/respiration cellulaire et certains pour la croissance, la construction de tissus.
  • La production primaire nette (PPN) correspond à la différence entre la production primaire brute et l'énergie perdue dans le métabolisme et la maintenance. En d'autres termes, c'est la quantité d'énergie fixée sous forme de biomasse par les plantes ou les autres producteurs primaires et mise à disposition des consommateurs de l'écosystème.
Les plantes capturent et convertissent généralement environ entre 1,3 % et 1,6 % de l'énergie solaire qui atteint la surface de la Terre et utilisent environ un quart de l'énergie capturée pour le métabolisme et la maintenance. Ainsi, environ 1 % de l’énergie solaire atteignant la surface de la Terre – par unité de surface et par temps – finit en production primaire nette.
La production primaire nette varie en fonction des écosystèmes et dépend de nombreux facteurs, y compris l'entrée d'énergie solaire, les niveaux de température et d'humidité, les niveaux de dioxyde de carbone, la disponibilité des nutriments et les interactions entre les communautés, par ex. les herbivores qui broutent.2 Ces facteurs affectent le nombre de photosynthétiseurs présents pour capturer l'énergie lumineuse et l'efficacité avec laquelle ils peuvent remplir leur rôle.
Dans les écosystèmes terrestres, la production primaire varie d'environ 2000 g/m2/an dans les forêts tropicales et les schorres (les prés-salés) hautement productifs à moins de 100 g/m2/an dans certains déserts. Vous pouvez voir comment la production primaire nette évolue sur des délais plus courts dans la carte dynamique ci-dessous, qui montre les variations saisonnières et annuelles de la production primaire nette des écosystèmes terrestres à travers le monde.
Crédit d'image: Net primary productivity de NASA, domaine public

Comment l'énergie se déplace-t-elle entre les niveaux trophiques ?

L'énergie peut passer d'un niveau trophique à un autre lorsque des molécules organiques issues du corps d'un organisme sont mangées par un autre organisme. Cependant, le transfert d'énergie entre les niveaux trophiques n'est généralement pas très efficace.
A quel point est-il inefficace ? En moyenne, à peine 10 % de l'énergie stockée sous forme de biomasse à un niveau trophique – par ex. : les producteurs primaires — est stockée en tant que biomasse dans le niveau trophique suivant — par ex. : les consommateurs primaires. En d'autres termes, la production nette est en général divisée par dix d'un niveau trophique à l'autre.
Par exemple, dans un écosystème aquatique à Silver Springs, en Floride, les productivités nettes – taux de stockage de l’énergie sous forme de biomasse – pour les niveaux trophiques sont les suivantes :3
  • Producteurs primaires, tels que les plantes et les algues : 7 618 kcal/m2/an
  • Consommateurs primaires, tels que les escargots et les larves d'insectes : 1,03 kcal/m2/an
  • Consommateurs secondaires, comme les poissons et les grands insectes : 111 kcal/m2/an
  • Consommateurs tertiaires, tels que les gros poissons et les serpents : 5 kcal/m2/an
L'efficacité du transfert varie d'un niveau à l'autre et ne correspond pas exactement à 10 %, mais on peut voir, en faisant quelques calculs, que c'est dans la bonne fourchette. Par exemple, l'efficacité du transfert entre les producteurs primaires et les consommateurs primaires est calculée ci-dessous :
Efficacité du transfert= 1103kcal/m2/an7618kcal/m2/an×100
Efficacité du transfert=14,5%
Producteurs, plantes et consommateurs, de Silver Springs. Crédit Image : Glass Bottom Boat ride, Silver Springs Florida par Katie Yaeger Rotramel, CC BY-NC-SA 2.0
Pourquoi le transfert d'énergie est-il inefficace ? Plusieurs raisons expliquent cela. La première est que tous les organismes à un niveau trophique inférieur ne sont pas consommés par ceux d'un niveau trophique supérieur. Une autre raison est que certaines molécules présentes dans les corps des organismes qui sont mangés ne sont pas digestibles par les prédateurs et sont perdues dans les excréments de ces derniers. Les organismes morts et les excréments deviennent les aliments des décomposeurs. Enfin, parmi les molécules énergétiques qui sont absorbées par les prédateurs, certaines sont utilisées pour la respiration cellulaire au lieu d'être stockées sous forme de biomasse.4,5
Vous voulez mettre des chiffres concrets sur ces concepts ?

Les pyramides écologiques

Nous pouvons examiner les chiffres et faire des calculs pour voir comment l'énergie circule à travers un écosystème. Mais ne serait-il pas plus agréable d'avoir un schéma qui rend ces informations plus faciles à comprendre ?
Les pyramides écologiques offrent une représentation intuitive et visuelle pour comparer les niveaux trophiques d'un écosystème selon une caractéristique d'intérêt, comme le flux d'énergie, la biomasse ou le nombre d'organismes. Regardons trois types de pyramides et voyons comment elles reflètent la structure et la fonction des écosystèmes.

Les pyramides énergétiques

Les pyramides énergétiques représentent le flux d'énergie à travers les niveaux trophiques. Par exemple, la pyramide ci-dessous montre la production brute de chaque niveau trophique de l'écosystème de Silver Springs. Une pyramide énergétique indique généralement les taux de circulation de l'énergie à travers les niveaux trophiques, et non pas les quantités absolues d'énergie stockée. Il peut y avoir des unités d'énergie telles que kcal/m2/an ou des unités de biomasse, telles que g/m2/an.
Crédit d'image : modifié de Energy flow: Figure 3 de OpenStax College, Biologie CC BY 4.0
Les pyramides énergétiques sont toujours verticales, et chaque niveau est de plus en plus étroit - à moins que des organismes n'interviennent d'ailleurs dans l'écosystème. Ce modèle reflète les lois de thermodynamique, qui nous disent que de l'énergie nouvelle ne peut pas être créée et qu'une partie de l'énergie doit être convertie sous une forme inutilisable - la chaleur - à chaque transfert.

Les pyramides des biomasses

Une autre façon de visualiser la structure de l'écosystème est d'utiliser des pyramides de biomasse. Ces pyramides représentent la quantité d'énergie stockée dans les tissus vivants aux différents niveaux trophiques. Contrairement aux pyramides énergétiques, les pyramides de biomasse indiquent la quantité de biomasse présente dans un niveau et non le taux auquel elle est ajoutée.
En bas à gauche, on peut voir une pyramide de biomasse de l’écosystème de Silver Springs. Cependant, la pyramide de biomasse montrée à droite – à partir d’un écosystème marin de la Manche – est inversée.
Crédit d'image : modifié de Energy flow: Figure 3 de OpenStax College, Biologie CC BY 4.0
La pyramide inversée est possible en raison du taux de renouvellement élevé du phytoplancton. Celui-ci est rapidement mangé par les consommateurs primaires – zooplancton – de sorte que sa biomasse est faible à tout moment. Cependant, il se reproduit si vite que, malgré sa faible biomasse à l’état stable, il a une production primaire élevée qui peut subvenir aux besoins d'un grand nombre de zooplancton.

Les pyramides de nombres

Les pyramides de nombres indiquent combien d'organismes individuels se trouvent dans chaque niveau trophique. Ces pyramides peuvent être droites, inversées ou même un peu bosselées, selon l'écosystème.
Comme le montre l'image ci-dessous, une prairie classique pendant l'été présente une base de nombreuses plantes, et le nombre d'organismes diminue à chaque niveau trophique plus élevé. Cependant, pendant l'été, dans une forêt tempérée, la base de la pyramide se compose de quelques plantes seulement, pour la plupart des arbres, qui sont largement dépassées par les consommateurs primaires, la plupart du temps des insectes. Étant donné que les arbres sont grands, ils peuvent supporter les autres niveaux trophiques malgré leur nombre restreint.
Crédit d'image : modifié de Energy flow: Figure 3 de OpenStax College, Biologie CC BY 4.0

À retenir

Les producteurs primaires – généralement les plantes et autres "photosynthétiseurs" – sont la porte d'entrée permettant à l'énergie d'arriver dans le réseau alimentaire.
La production est la vitesse à laquelle l'énergie est ajoutée aux corps d'un groupe d'organismes, tels que les producteurs primaires, sous forme de biomasse. La production brute est le taux global de capture d'énergie. La production nette est plus faible. C'est la production brute ajustée selon l'énergie utilisée par les organismes dans la respiration/le métabolisme. Elle reflète donc la quantité d'énergie stockée sous forme de biomasse.
Le transfert d'énergie entre les niveaux trophiques n'est pas vraiment efficace. Seulement 10 % de la productivité nette d'un niveau correspond à la productivité nette du niveau suivant.
Les pyramides écologiques sont des représentations visuelles du flux d'énergie, de l'accumulation de biomasse et du nombre d'individus aux différents niveaux trophiques.

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  • blobby green style l'avatar de l’utilisateur Dominic Larkin
    Dans le texte suivant: Consommateurs primaires, tels que les escargots et les larves d'insectes : 1,03 kcal/m^2
    2
    squared/an
    Il faut probablement lire 1103 kcal/m^2.
    Pourriez-vous vérifier svp ?
    (1 vote)
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