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Chaînes et réseaux alimentaires

Comment les chaînes et les réseaux alimentaires représentent-ils les flux d'énergie et de matière ? Les niveaux trophiques et l'efficacité des transferts d'énergie.

Les points clés :

  • Les producteurs, ou autotrophes, fabriquent leurs propres molécules organiques. Les consommateurs, ou hétérotrophes, obtiennent des molécules organiques en mangeant d'autres organismes.
  • Une chaîne alimentaire est une séquence linéaire d'organismes à travers lesquels les nutriments et l'énergie passent lorsqu'un organisme en mange un autre.
  • Dans une chaîne alimentaire, chaque organisme occupe un niveau trophique, défini par le nombre de transferts d'énergie qui le séparent de l'apport de base de la chaîne.
  • Les réseaux alimentaires sont constitués de nombreuses chaînes alimentaires interconnectées et sont des représentations plus réalistes des relations de consommation dans les écosystèmes.
  • Le transfert d'énergie entre les niveaux trophiques est inefficace (avec une efficacité typique autour de 10%). Cette inefficacité limite la longueur des chaînes alimentaires.

Introduction

Des organismes de différentes espèces peuvent interagir de plusieurs manières. Ils peuvent être des concurrents ou encore des symbiotes (des partenaires à long terme qui vivent en étroite association). Bien sûr, ils peuvent également faire ce qu'on voit si souvent dans les documentaires sur la nature : l'un peut manger l'autre, scrounch ! C'est-à-dire qu'ils peuvent former l'un des maillons d'une chaîne alimentaire.
En écologie, une chaîne alimentaire est une série d'organismes qui se mangent les uns les autres, de sorte que l'énergie et les nutriments sont transférés entre eux. Par exemple, si vous avez mangé un hamburger au déjeuner, vous pourriez faire partie de la chaîne alimentaire suivante : herbe vache humain. Et s'il y avait de la laitue dans votre hamburger ? Dans ce cas, vous feriez également partie de la chaîne trophique suivante : laitue humain.
Comme l'illustre cet exemple, nous ne pouvons pas toujours décrire de manière linéaire ce qu'un organisme (comme un humain) mange. Pour des situations comme celle-ci, on utilise un réseau alimentaire qui se compose de plusieurs chaînes alimentaires qui s'entrecroisent. Il représente ce qu'un organisme peut consommer et qui peut, à son tour, le manger.
Dans cet article, on examinera de plus près les chaînes et les réseaux alimentaires pour voir comment ils rendent compte du flux d'énergie et de nutriments au sein des écosystèmes.

Autotrophes vs hétérotrophes

Quelles stratégies de base les organismes utilisent-ils pour obtenir de la nourriture ? Certains organismes, appelés autotrophes — qui s'autoalimentent — peuvent fabriquer leur propre nourriture, c'est-à-dire leurs propres composés organiques, à partir de molécules simples comme le dioxyde de carbone. Il existe deux principaux types d'autotrophes :
  • Les photoautotrophes, tels que les plantes, utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour fabriquer des composés organiques — des sucres — à partir de dioxyde de carbone grâce à la photosynthèse. Parmi les autres exemples de photoautotrophes figurent les algues et les cyanobactéries.
  • Les chimioautotrophes utilisent l'énergie des substances chimiques pour former des composés organiques à partir du dioxyde de carbone ou de molécules similaires. Cela s'appelle la chimiosynthèse. Par exemple, il existe des bactéries chimioautotrophes qui oxydent le sulfure d'hydrogène et vivent sous la mer, au sein des communautés qui peuplent les cheminées hydrothermales, malgré l'absence totale de lumière.
Les autotrophes sont à la base de tous les écosystèmes de la planète. Cela peut sembler étonnant, mais ce n'est pas exagéré ! Les autotrophes constituent la base des chaînes et des réseaux alimentaires et l'énergie qu'ils captent à partir de la lumière ou des composés chimiques maintient tous les autres organismes de la communauté. Quand on parle de leur rôle dans les chaînes alimentaires, on qualifie les autotrophes de producteurs.
Les hétérotrophes — qui se nourrit d'une autre façon — ne peuvent pas capturer de lumière ou d'énergie chimique pour fabriquer leur propre nourriture à partir de dioxyde de carbone. Au lieu de cela, ils se fournissent en molécules organiques en mangeant d'autres organismes ou leurs sous-produits. Les animaux, les champignons et de nombreuses bactéries sont hétérotrophes. Lorsqu'on parle de leur rôle dans la chaîne alimentaire, on les qualifie de consommateurs. Comme on va le voir, il existe plusieurs types de consommateurs, avec des rôles écologiques différents : des insectes consommateurs de végétaux aux animaux, qui mangent de la viande, jusqu'aux champignons, qui se nourrissent de débris et de déchets.

Les chaînes alimentaires

Maintenant, on va examiner comment l'énergie et les nutriments évoluent à travers une communauté écologique. Commençons par considérer quelques relations de "qui mange qui", en regardant une chaîne alimentaire.
Une chaîne alimentaire est une séquence linéaire d'organismes à travers lesquels les nutriments et l'énergie sont transférés quand l'un d'entre eux en mange un autre. Examinons les parties d'une chaîne alimentaire typique, en commençant par le bas (les producteurs) et en remontant vers le haut.
  • À la base de la chaîne alimentaire se trouvent les producteurs primaires. Ce sont des autotrophes et il s'agit le plus souvent d'organismes photosynthétiques, tels que les plantes, les algues ou les cyanobactéries.
  • Les organismes qui mangent les producteurs primaires sont appelés les consommateurs primaires. Ce sont généralement des herbivores — des mangeurs de plantes — bien qu'ils puissent consommer des algues ou des bactéries.
  • Les organismes qui mangent les consommateurs primaires sont appelés les consommateurs secondaires. Ce sont généralement des consommateurs de viande (appelés carnivores).
  • Les organismes qui mangent les consommateurs secondaires sont appelés consommateurs tertiaires. Ce sont des carnivores qui en mangent d'autres, comme les aigles ou les gros poissons.
  • Certaines chaînes alimentaires comportent des niveaux supplémentaires, comme celui des consommateurs quaternaires — des carnivores qui mangent des consommateurs tertiaires. Les organismes au sommet d'une chaîne alimentaire sont appelés les superprédateurs.
On peut voir des exemples de ces niveaux dans le schéma ci-dessous. Les algues vertes sont des producteurs primaires qui se font manger par les mollusques (consommateurs primaires). Les mollusques servent ensuite de déjeuner au chabot visqueux (consommateur secondaire), un poisson d'eau douce qui est lui-même consommé par un poisson plus grand, le saumon royal (consommateur tertiaire).
Dans cette illustration, le niveau trophique du bas est celui des algues vertes, qui sont les producteurs primaires. Les mollusques ou les escargots sont les consommateurs primaires. Les consommateurs secondaires sont de petits poissons appelés chabot visqueux. Et le saumon royal est à la fois un consommateur tertiaire et un superprédateur.
Crédit d'image : Ecology of ecosystems: Figure 3 par OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
Chacune des catégories ci-dessus constitue un niveau trophique et reflète combien de transferts d'énergie et de nutriments — ou combien d'étapes de consommation — séparent un organisme de la source originelle d'énergie de la chaîne alimentaire, telle que la lumière. Comme on le verra plus loin, attribuer des organismes à des niveaux trophiques n'est pas toujours évident. Par exemple, les humains sont des omnivores qui peuvent manger à la fois des plantes et des animaux.

Les décomposeurs

Un autre groupe de consommateurs mérite d'être mentionné, même s'il n'apparaît pas toujours dans la représentation des chaînes alimentaires. Ce groupe est celui des décomposeurs, des organismes qui décomposent les matières organiques mortes et les déchets.
Les décomposeurs sont parfois considérés comme ayant leur propre niveau trophique. En tant que groupe, ils mangent des matières mortes et des déchets provenant d'organismes situés à d'autres niveaux trophiques. Par exemple, ils consommeraient aussi bien de la matière végétale en décomposition que le corps d'un écureuil à moitié mangé ou les restes d'un aigle mort. En ce sens, le niveau des décomposeurs évolue parallèlement à la hiérarchie standard des consommateurs primaires, secondaires et tertiaires.
Les champignons et les bactéries sont les principaux décomposeurs de nombreux écosystèmes. Ils utilisent l'énergie chimique contenue dans la matière morte et les déchets pour alimenter leurs processus métaboliques. Les autres décomposeurs sont détritivores : ils mangent des détritus ou les déchets. Ce sont généralement des organismes multicellulaires, tels que les vers de terre, les crabes, les limaces ou les vautours. Non seulement ils se nourrissent de matière organique morte, mais ils peuvent aussi la fragmenter, ce qui la rend encore plus disponible pour les décomposeurs bactériens ou fongiques.
Exemples de décomposeurs : à gauche, des champignons poussant sur un tronc ; à droite, un ver de terre.
Crédits d'images : à gauche, Decomposers de Courtney Celley/USFWS, CC BY 2.0 ; à droite, Earthworm de Luis Miguel Bugallo Sánchez, CC BY-SA 3.0
Les décomposeurs en tant que groupe jouent un rôle essentiel dans le maintien de la santé des écosystèmes. Lorsqu'ils brisent des matières mortes et des déchets, ils libèrent des éléments nutritifs qui peuvent être recyclés et utilisés comme matière première par les producteurs primaires.

Les réseaux alimentaires

Les chaînes alimentaires nous donnent une image claire de qui mange qui. Toutefois, certains problèmes surgissent quand on essaie de les utiliser pour décrire des communautés écologiques entières.
Par exemple, un organisme peut parfois manger plusieurs types de proies ou être consommé par de nombreux prédateurs, qui appartiennent à différents niveaux trophiques. C'est ce qui se passe quand vous mangez un hamburger ! La vache est un consommateur primaire et la feuille de laitue sur le pain est un producteur primaire.
Pour représenter ces relations avec plus de précision, on peut utiliser un réseau alimentaire, un diagramme qui montre toutes les interactions trophiques (liées à l'alimentation) entre les différentes espèces d'un écosystème. L'exemple ci-dessous détaille un réseau alimentaire du lac Ontario, aux États-Unis. Les producteurs primaires sont marqués en vert, les consommateurs primaires en orange, les consommateurs secondaires en bleu et les consommateurs tertiaires en violet.
Le niveau inférieur du schéma montre les producteurs primaires, ce qui inclut les diatomées, les algues vertes, les algues bleu vert (ou cyanobactéries), les flagellés et les rotifères. Le niveau suivant comprend les consommateurs primaires qui consomment les producteurs primaires. Les calanoïdes, les puces d'eau (ou cladocères), les cyclopidés, les rotifères et les amphipodes en font partie. Les crevettes mangent également des producteurs primaires. Les consommateurs primaires servent à leur tour de repas aux consommateurs secondaires, qui sont généralement de petits poissons. Ces derniers sont consommés par des poissons plus grands : les consommateurs tertiaires. La perchaude, un consommateur secondaire, mange des petits poissons au sein de son propre niveau trophique. Tous les poissons sont consommés par la lamproie. Le réseau alimentaire est donc complexe avec des niveaux interconnectés.
Crédit d'image : Ecology of ecosystems: Figure 5 par OpenStax College, Biology, CC BY 4.0 ; oeuvre originale de NOAA GLERL
Dans les réseaux alimentaires, les flèches pointent depuis un organisme qui est mangé en direction de l'organisme qui le mange. Comme le montre le réseau alimentaire ci-dessus, certaines espèces peuvent consommer des organismes qui appartiennent à plus d'un niveau trophique. Par exemple, la myside (un petit crustacé semblable à une crevette) mange à la fois des producteurs primaires et des consommateurs primaires.
Question bonus : ce réseau contient la chaîne alimentaire que nous avons vue plus tôt dans l'article (algues vertes mollusques chabot visqueux saumon). Pouvez-vous la trouver ?

Réseau alimentaire détritique vs réseau alimentaire de la prairie

Les réseaux trophiques ne montrent généralement pas les décomposeurs (comme c'est le cas pour le réseau alimentaire du lac Ontario ci-dessus). Cependant, tous les écosystèmes ont besoin de recycler les déchets et les matériaux morts, ce qui signifie que les décomposeurs sont bien présents, même s'ils sont peu considérés.
Par exemple, dans l'écosystème de prairie ci-dessous, il y a un réseau trophique de la prairie constitué de plantes et d'animaux qui alimentent un réseau trophique détritique de bactéries, de champignons et de détritivores. Le réseau détritique est présenté de manière simplifiée dans la bande brune au bas du schéma. En réalité, il se composerait de diverses espèces liées par des interactions alimentaires spécifiques — c'est-à-dire connectées par des flèches, comme dans le réseau de la prairie ci-dessus. Les réseaux détritiques peuvent alimenter partiellement en énergie les réseaux de prairies, comme quand un rouge-gorge mange un ver de terre.
Le niveau inférieur de l'illustration montre des décomposeurs, qui incluent les champignons, les moisissures, les vers de terre et les bactéries du sol. Le niveau suivant au-dessus des décomposeurs montre les producteurs : les plantes. Le niveau au-dessus des producteurs montre les consommateurs primaires qui mangent les producteurs, comme les écureuils, les souris, les oiseaux se nourrissant des graines et les coléoptères. Les consommateurs primaires sont à leur tour mangés par les consommateurs secondaires, tels que les rouges-gorges, les mille-pattes, les araignées et les crapauds. Les consommateurs tertiaires comme les renards, les chouettes et les serpents mangent des consommateurs secondaires et primaires. Tous les consommateurs et producteurs deviennent au final de la nourriture pour les décomposeurs.
Crédit d'image : modifié à partir de Energy flow through ecosystems: Figure 5 par OpenStax College, Biology, CC BY 4.0 ; pour voir la totalité des crédits des images originales, cliquez sur la fenêtre ci-dessous.

L'efficacité du transfert d'énergie limite la longueur de la chaîne alimentaire

L'énergie est transférée entre les niveaux trophiques lorsqu'un organisme en mange un autre et extrait des molécules riches en énergie du corps de sa proie. Cependant, ces transferts sont inefficaces et cette inefficacité limite la longueur des chaînes alimentaires.
Quand l'énergie entre dans un niveau trophique, une partie est stockée sous forme de biomasse, en constituant le corps des organismes. Il s'agit de la fraction disponible pour le niveau trophique supérieur, car seule l'énergie stockée dans la biomasse peut être consommée. En règle générale, seulement 10 % de l'énergie stockée sous forme de biomasse dans un niveau trophique (par unité de temps) sera stockée sous la même forme dans le niveau trophique suivant (par la même unité de temps). Cette règle des 10 % de transfert d'énergie est une bonne chose à garder en mémoire.
Par exemple, supposons que les producteurs primaires d'un écosystème stockent 20 000 kcal/m2/an d'énergie sous forme de biomasse. C'est aussi la quantité d'énergie par an qui est mise à disposition des consommateurs primaires qui se nourrissent des producteurs primaires. La règle des 10 % prédit que les consommateurs primaires ne stockent que 2 000 kcal/m2/an d'énergie dans leur propre corps, rendant ainsi l'énergie disponible pour leurs prédateurs (consommateurs secondaires) à un taux inférieur.
Ce profil de transfert fractionné limite la longueur des chaînes alimentaires. Au bout d'un certain nombre de niveaux trophiques — généralement, trois à six —, il y a trop peu d'énergie qui circule pour maintenir une population à un niveau trophique supérieur.
Pyramide trophique illustrant la règle de transfert d'énergie de 10 %.
L'énergie de la lumière est capturée par les producteurs primaires.
Quantité d'énergie stockée sous forme de biomasse :
Producteurs primaires — 20 000 kcal par mètre carré par an
Consommateurs primaires — 2 000 kcal par mètre carré par an
Consommateurs secondaires — 200 kcal par mètre carré par an
Consommateurs tertiaires — 20 kcal par mètre carré par an
Consommateurs quaternaires — 2 kcal par mètre carré par an
À chaque niveau, l'énergie est perdue directement sous forme de chaleur ou bien de déchets et de matière morte qui alimentent les décomposeurs. En fin de compte, les décomposeurs métabolisent les déchets et la matière morte, libérant aussi leur énergie sous forme de chaleur.
Crédit d'image : modifié à partir de Ecological pyramid par CK-12 Foundation, CC BY-NC 3.0
Pourquoi y a-t-il autant d’énergie qui quitte le réseau alimentaire entre deux niveaux trophiques ? Voici quelques-unes des principales raisons de l'inefficacité du transfert d'énergie1,2 :
  • À chaque niveau trophique, une quantité significative d'énergie est dissipée sous forme de chaleur, quand les organismes ont recours à la respiration cellulaire et réalisent leurs activités quotidiennes.
  • Une partie des molécules organiques qu'un organisme ingère ne peut pas être digérée et est éliminée du corps sous forme de fèces (d'excréments) plutôt que d'être utilisée.
  • Tous les organismes individuels d'un niveau trophique ne seront pas mangés par les organismes du niveau suivant. Certains meurent sans être mangés.
Les excréments et les organismes morts et non consommés constituent la nourriture des décomposeurs, qui les métabolisent et convertissent leur énergie en chaleur par la respiration cellulaire. Ainsi, aucune de ces énergies ne disparaît vraiment – tout se dissipe sous forme de chaleur en fin de compte.

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