Flux de matière et d'énergie dans les écosystèmes
D'où vient l'énergie qui fait vivre une forêt ? Pourquoi la matière ne se perd-elle jamais ? Plongeons dans les circuits cachés de la nature !
Introduction
Imaginez une forêt tempérée. Les arbres poussent, les oiseaux chantent, les champignons se développent sur les souches. Cette apparente stabilité cache en réalité un mouvement perpétuel : l'énergie solaire est captée, transformée, puis dissipée, tandis que les atomes de carbone, d'azote ou d'eau voyagent sans cesse des sols aux plantes, aux animaux, et retour. Comprendre ces flux, c'est saisir le métabolisme même de notre planète.
Pourquoi dit-on que l'énergie 'circule' alors que la matière 'cycle' dans un écosystème ?
1⚡ Le flux unidirectionnel de l'énergie
L'énergie qui anime les écosystèmes provient presque exclusivement du soleil. Ce flux est unidirectionnel : il entre dans le système sous forme de lumière, est converti en énergie chimique, puis est progressivement dissipé sous forme de chaleur à chaque transfert, selon les lois de la thermodynamique.
Quantité totale d'énergie chimique produite par les autotrophes (principalement via la photosynthèse) sur une surface et pendant un temps donné.
Énergie chimique disponible pour les consommateurs après déduction de l'énergie utilisée par les producteurs pour leur respiration (PPN = PPB - Respiration).
Seule une infime partie de l'énergie solaire incidente (environ 1-2%) est effectivement convertie en biomasse par les producteurs primaires. Le reste est réfléchi ou transformé en chaleur.
2🔄 Le cycle fermé de la matière
Contrairement à l'énergie, les éléments chimiques (C, H, O, N, P...) ne sont pas créés ni détruits dans l'écosystème. Ils sont prélevés dans le milieu, incorporés dans la matière vivante, puis y sont restitués. Ce parcours forme des cycles biogéochimiques.
Le carbone absorbé sous forme de CO2 atmosphérique par un arbre (photosynthèse) devient du bois. Si une chenille mange la feuille, le carbone passe dans son corps. La chenille est mangée par un oiseau. Les déjections de l'oiseau et les corps morts sont décomposés par les bactéries, qui relarguent le carbone sous forme de CO2 : le cycle peut recommencer.
Schéma montrant les échanges de carbone entre l'atmosphère (CO2), les producteurs (plantes), les consommateurs (herbivores, carnivores) et les décomposeurs (bactéries, champignons). Les flèches indiquent les transferts.
- 1. Photosynthèse
- 2. Respiration
- 3. Consommation
- 4. Décomposition
- 5. Combustion (naturelle ou anthropique)
Les décomposeurs (bactéries, champignons) sont les acteurs essentiels de la boucle finale du cycle de la matière, en minéralisant la matière organique morte et en rendant les éléments minéraux disponibles pour les producteurs.
3🥗 Des chaînes aux réseaux trophiques
Les transferts de matière et d'énergie entre les êtres vivants s'organisent selon des relations alimentaires. Une chaîne trophique linéaire (ex : herbe → lapin → renard) est une simplification. Dans la réalité, les interactions forment des réseaux trophiques complexes et interconnectés.
Position qu'occupe un organisme dans une chaîne alimentaire, définie par son mode de nutrition. Le niveau 1 correspond aux producteurs primaires.
Dans une prairie : les graminées (niveau 1) sont mangées par les criquets (niveau 2, herbivore) et les lapins (niveau 2, herbivore). Les criquets sont mangés par des musaraignes (niveau 3) et les lapins par des renards (niveau 3). Les musaraignes peuvent aussi être mangées par des renards (niveau 4). Ceci forme un réseau.
Plus un réseau trophique est complexe (nombreux liens), plus l'écosystème est considéré comme stable et résilient face aux perturbations, car les flux d'énergie et de matière peuvent emprunter plusieurs chemins.
4📊 Pyramides écologiques et rendements
Les transferts d'énergie entre niveaux trophiques sont très inefficaces. En moyenne, seulement 10% de l'énergie contenue dans la biomasse d'un niveau est convertie en biomasse au niveau suivant. Cette perte progressive se visualise par des pyramides écologiques.
Rapport entre la productivité nette d'un niveau trophique (N) et celle du niveau précédent (N-1). Il est généralement de l'ordre de 10% (Loi des 10%).
Deux pyramides superposées. La pyramide de biomasse (en kg) peut parfois être inversée (ex : plancton). La pyramide d'énergie (en kJ/m²/an) est toujours droite et large à la base, car elle représente le flux réel.
- 1. Producteurs primaires
- 2. Consommateurs primaires (herbivores)
- 3. Consommateurs secondaires (carnivores)
- 4. Pertes par respiration et chaleur à chaque transfert
Cette faible efficacité explique pourquoi les chaînes alimentaires sont courtes (rarement plus de 4 ou 5 maillons) et pourquoi la biomasse des super-prédateurs est toujours très faible. C'est aussi un argument écologique et économique en faveur d'une alimentation humaine moins carnée.
Vocabulaire
Position dans une chaîne alimentaire définie par le nombre de transferts d'énergie depuis les producteurs primaires.
Ex: Un lion mangeant une gazelle est au niveau trophique 3 (herbe → gazelle → lion).
Ensemble interconnecté des chaînes alimentaires au sein d'un écosystème.
Ex: Dans un étang, les algues sont mangées par des daphnies et des larves de moustiques, qui sont eux-mêmes la proie de plusieurs espèces de poissons.
Taux de production de matière organique par les autotrophes, par unité de surface et de temps.
Ex: La productivité primaire des forêts tropicales humides est parmi les plus élevées au monde.
Masse totale de matière vivante (ou matière organique) présente dans un écosystème ou à un niveau trophique donné, à un instant t.
Ex: La biomasse des producteurs dans un champ de maïs est supérieure à celle des insectes qui y vivent.
Organisme hétérotrophe (bactéries, champignons) qui dégrade les débris organiques morts en éléments minéraux simples.
Ex: Les champignons saprophytes sur un tronc d'arbre mort sont des décomposeurs.
Circuit fermé des échanges d'un élément chimique entre les compartiments biotiques (vivants) et abiotiques (non-vivants) de l'écosystème.
Ex: Le cycle de l'azote implique l'atmosphère, les plantes, les animaux, les bactéries du sol et les activités humaines.
Efficacité du transfert d'énergie entre deux niveaux trophiques consécutifs, exprimée en pourcentage.
Ex: Un rendement de 15% signifie que 15 kJ sur 100 kJ disponibles à un niveau sont incorporés dans la biomasse du niveau supérieur.
Représentation graphique toujours droite montrant la diminution du flux d'énergie disponible à chaque niveau trophique successif.
Ex: Base large pour les producteurs, sommet étroit pour les carnivores supérieurs.
