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Flux d'énergie et production primaire
Découvrez ce qu'est la production primaire, l'(in)efficacité des transferts d'énergie entre les niveaux trophiques, et comment lire les pyramides écologiques.
Les points clés :
- Les producteurs primaires — généralement les plantes et les autres organismes photosynthétiques — constituent le point d'accès de l'énergie au sein des réseaux alimentaires.
- La productivité est la vitesse à laquelle l’énergie est assimilée par 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 différents niveaux trophiques est inefficace. Seulement
- 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 qui se passerait si toutes les plantes de la Terre venaient à disparaître (ainsi que les autres organismes photosynthétiques, tels que les algues et les bactéries) ?
Eh bien, notre belle planète paraîtrait sans aucun doute stérile et triste. On perdrait également notre principale source d'oxygène (cet important gaz que l'on respire et dont dépend notre métabolisme). Le dioxyde de carbone ne serait plus éliminé de l'air et, étant donné qu'il piège la chaleur, la Terre se réchaufferait plus rapidement. Peut-être pire encore : presque tous les êtres vivants sur Terre finiraient par manquer de nourriture et mourir.
Pourquoi donc ? Dans presque tous les écosystèmes, les organismes photosynthétiques constituent le seul "point d'accès" pour l'énergie qui alimente les réseaux trophiques — ces chaînes d'organismes qui se mangent les uns les autres. Sans leur activité photosynthétique, le flux d'énergie serait interrompu et les autres organismes finiraient par manquer de nourriture. Ainsi, les organismes photosynthétiques sont les éléments fondateurs de chaque écosystème qui reçoit de la lumière.
Les producteurs sont la passerelle énergétique
Les plantes, les algues et les bactéries photosynthétiques interviennent en tant que producteurs. Les producteurs sont des autotrophes — des organismes qui s'autoalimentent. Ils fabriquent leurs propres molécules organiques à partir du dioxyde de carbone. Les organismes photoautotrophes, comme les plantes, se servent de l'énergie lumineuse pour fabriquer des sucres à partir du dioxyde de carbone. L'énergie est stockée dans les liaisons chimiques de ces molécules, qui sont utilisées comme "carburant" et matière première par la plante.
L'énergie stockée dans des molécules organiques peut être transmise à d'autres organismes de l'écosystème lorsque ces derniers mangent des plantes (ou d'autres organismes qui ont déjà ingéré des plantes). Ainsi, tous les consommateurs — ou hétérotrophes (organismes se nourrissant autrement) — d'un écosystème dépendent de l'énergie générée par les producteurs de l'écosystème. Les consommateurs comprennent les herbivores, les carnivores et les 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. En fait, elle se dissipe sous forme de chaleur au fur et à mesure qu'elle circule dans l'écosystème. Elle doit donc être constamment reconstituée.
Étant donné que les producteurs soutiennent tous les autres organismes d'un écosystème, leur abondance ainsi que la biomasse (ou matière sèche) et le taux de capture de l’énergie sont essentiels pour comprendre comment l’énergie se déplace dans un écosystème et quels sont les types et le nombre d’organismes qu'elle peut alimenter.
La production primaire
En écologie, la productivité est la vitesse à laquelle l’énergie est assimilée par des organismes sous forme de biomasse. La biomasse est simplement la quantité de matière stockée au sein d'un groupe d'organismes. La productivité peut être définie pour n'importe quel niveau trophique ou pour un autre groupe et elle peut s'exprimer en unités d'énergie ou de biomasse. Il existe deux types de productivité : brute et nette.
Pour illustrer cette différence, on va considérer la production primaire, c'est-à-dire la productivité des producteurs primaires d'un écosystème.
- La production primaire brute (PPB) est la quantité d'énergie solaire qui est assimilée dans des molécules de sucre au cours de la photosynthèse. Elle s'exprime en énergie capturée par unité de surface et par unité de temps. Les producteurs comme les plantes utilisent une partie de cette énergie pour leur métabolisme (respiration cellulaire) et leur croissance (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.
En général, les plantes capturent et convertissent à peu près
La production primaire nette varie selon les écosystèmes. Elle dépend de nombreux facteurs, tels que la quantité d'énergie solaire, la température, les niveaux d'humidité et de dioxyde de carbone, la disponibilité en nutriments et les interactions entre communautés (par exemple, les herbivores qui broutent)
Dans les écosystèmes terrestres, la production primaire varie d'environ
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.
Inefficace à quel point ? En moyenne, seulement
Par exemple, dans un écosystème aquatique à Silver Springs, en Floride, les productions nettes (quantités d’énergie stockée sous forme de biomasse) des niveaux trophiques sont les suivantes
- Producteurs primaires, tels que les plantes et les algues :
- Consommateurs primaires, tels que les escargots et les larves d'insectes :
- Consommateurs secondaires, comme les poissons et les grands insectes :
- Consommateurs tertiaires, tels que les gros poissons et les serpents :
L'efficacité du transfert varie d'un niveau à l'autre et n'est pas exactement de
Pourquoi le transfert d'énergie est-il inefficace ? Il y a plusieurs raisons à cela. D'abord, tous les organismes d'un niveau trophique inférieur ne sont pas consommés par ceux d'un niveau supérieur. Ensuite, certaines molécules présentes dans le corps des organismes mangés par les prédateurs ne sont pas digestibles et sont éliminées dans les excréments de ces derniers. Les organismes morts et les excréments constituent l'alimentation des décomposeurs. Enfin, parmi les molécules chargées en énergie qui sont absorbées par les prédateurs, certaines sont utilisées pour la respiration cellulaire (au lieu d'être stockées sous forme de biomasse)
Vous avez envie de mettre quelques chiffres concrets derrière ces concepts ? Cliquez sur le lien ci-dessous pour savoir exactement où va l'énergie dans l'écosystème de Silver Springs :
Les pyramides écologiques
On peut examiner les chiffres et faire des calculs pour voir comment l'énergie circule à travers un écosystème. Mais ne serait-il pas agréable d'avoir un diagramme qui résume ces informations afin qu'elles soient plus faciles à interpréter ?
Les pyramides écologiques fournissent une représentation visuelle et intuitive des différents niveaux trophiques d'un écosystème selon la caractéristique étudiée (comme le flux d'énergie, la biomasse ou le nombre d'organismes). Il existe trois types de pyramides et on va voir 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
Les pyramides énergétiques sont toujours verticales et de plus en plus étroites à chaque niveau (à moins que des organismes extérieurs n'interviennent dans l'écosystème). Ce modèle reflète les lois de la thermodynamique, qui disent qu'on ne peut pas créer une nouvelle énergie et qu'une fraction 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 d'un 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 montrent la quantité de biomasses présente à un niveau donné et non la vitesse à laquelle elle est ajoutée.)
En bas à gauche, on peut voir une pyramide des biomasses de l’écosystème de Silver Springs. Cette dernière est verticale, comme c'est souvent le cas. Cependant, la pyramide des biomasses de droite — d’un écosystème marin dans la Manche — est inversée.
La pyramide inversée est possible en raison du fort taux de renouvellement du phytoplancton. Ce dernier est rapidement mangé par les consommateurs primaires (le zooplancton), de sorte que sa biomasse reste faible à tout moment. Cependant, le phytoplancton se reproduit si vite que, malgré sa faible biomasse constante, il a une production primaire élevée qui peut subvenir aux besoins de la forte population 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 la figure ci-dessous, une prairie classique pendant l'été présente une base de multiples plantes et le nombre d'organismes diminue pour les niveaux trophiques supérieurs. En revanche, dans une forêt tempérée, la base de la pyramide se compose en été de quelques plantes (principalement des arbres) qui sont largement dépassées par le nombre de consommateurs primaires (surtout des insectes). Étant donné que les arbres sont grands, ils peuvent supporter les autres niveaux trophiques en dépit de leur nombre restreint.
À retenir
Les producteurs primaires, qui sont généralement les plantes et les autres organismes photosynthétiques, constituent le point d'entrée de l'énergie dans les réseaux alimentaires.
La productivité est la vitesse à laquelle l’énergie est assimilée par 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 : c'est la production brute ajustée en fonction de l'énergie utilisée par les organismes pour leur métabolisme (ou respiration cellulaire). Elle reflète donc la quantité d'énergie fixée sous forme de biomasse.
Le transfert d'énergie entre les différents niveaux trophiques est inefficace. Seulement
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