Dynamique de l’énergie

La chaîne alimentaire

L’énergie est l’un des facteurs abiotiques les plus importants d’un écosystème, et les organismes d’un écosystème sont reliés par le flux d’énergie et de matière entre eux. Comme l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle ne peut que changer de forme ou être transférée à l’organisme suivant dans une chaîne alimentaire. Par exemple, chaque fois qu’une vache broute de l’herbe ou qu’un balbuzard pêcheur chasse et consomme du poisson, l’énergie est transférée de l’organisme consommé au consommateur. Chacune de ces interactions dans une chaîne alimentaire est appelée un niveau trophique. L’énergie obtenue à partir de ces sources alimentaires est utilisée pour construire les tissus de ces consommateurs qui, à leur tour, deviennent des sources pour les organismes suivants dans la chaîne alimentaire. Comprendre la dynamique du flux d’énergie dans un écosystème permet d’obtenir une image plus claire de l’équilibre délicat de notre monde naturel.

À la base de l’écosystème, les producteurs primaires libèrent l’énergie pour le reste des organismes de l’environnement. Les producteurs primaires sont des organismes autotrophes ou auto-alimentés car ils peuvent synthétiser des molécules organiques à partir de matériaux inorganiques. Parmi les exemples de producteurs, citons les bactéries chimiosynthétiques et les plantes photosynthétiques. Ces organismes piègent simplement l’énergie de sources telles que les gaz provenant des cheminées hydrothermales ou de la lumière du soleil dans des molécules organiques pour se maintenir. Ils deviennent alors une ressource pour les consommateurs, qui sont des organismes hétérotrophes qui ne peuvent pas créer leurs propres matières organiques et les obtenir d’autres organismes. Les organismes qui tirent leur énergie des autotrophes sont appelés consommateurs primaires. Viennent ensuite les consommateurs secondaires qui peuvent se nourrir de consommateurs primaires. De même, les consommateurs qui peuvent se nourrir de consommateurs secondaires sont appelés consommateurs tertiaires.

Le flux d’énergie dans une chaîne alimentaire commence par les producteurs primaires, de sorte que la taille de la communauté dépend de la quantité d’énergie capturée en matière organique par les producteurs primaires. La matière organique stockée dans un organisme est appelée biomasse et exclut l’eau contenue par l’organisme. Par conséquent, pour calculer la biomasse, le poids de l’eau d’un organisme est soustrait de son poids total. La biomasse au sein d’une chaîne alimentaire est partiellement conservée et, en général, seule une fraction de la biomasse est transférée au niveau trophique suivant. Par conséquent, les quantités de biomasse transmises dans une chaîne alimentaire ressemblent à une pyramide, la plus grande en bas, diminuant progressivement vers le haut. Dans une telle pyramide trophique ou énergétique, la quantité de biomasse diminue progressivement en raison de la perte d’énergie sous forme de chaleur métabolique. Par conséquent, la grande fraction d’énergie consommée, mais non transformée en biomasse, indique comment les organismes doivent travailler pour se maintenir. La respiration est une réaction exothermique qui alimente chaque cellule individuelle en décomposant les nutriments pour capturer l’énergie en adénosine triphosphate (ATP), qui alimente la synthèse et le transfert des structures et des protéines au sein de la cellule. Les déchets et la chaleur sont produits en même temps, ce qui entraîne une plus petite quantité de biomasse dans l’organisme de niveau supérieur.

Productivité d’un écosystème

Les changements dans la biomasse d’un système sont liés à la productivité d’un écosystème particulier, où la productivité est le taux auquel les organismes obtiennent de la biomasse à partir de l’énergie reçue. La productivité des producteurs primaires est appelée productivité primaire et celle des autres est appelée productivité secondaire. Cela peut être classé en deux catégories : brut et net. Par exemple, la productivité primaire brute est le taux auquel la photosynthèse ou la chimiosynthèse se produit, tandis que la productivité primaire nette est le taux auquel l’énergie est stockée sous forme de biomasse dans ces organismes. On peut considérer la productivité primaire nette comme la productivité primaire brute soustraite de l’énergie perdue par les processus métaboliques et les activités quotidiennes de l’organisme. L’allocation de ces ressources de biomasse varie d’un organisme à l’autre et indique les limites de l’approvisionnement énergétique.

Impacts humains sur les flux d’énergie

Le modèle de la pyramide trophique des flux d’énergie souligne l’importance des producteurs primaires pour la santé de l’écosystème : s’ils sont retirés d’un système, les consommateurs qui en dépendent doivent être forcés de se tourner vers une autre source de nourriture. Si les consommateurs ne sont pas en mesure de trouver une autre source de nutrition, des extinctions secondaires peuvent se produire¹. Cela est particulièrement important dans un avenir proche, car les changements induits par l’homme provoqueront des variations sans précédent dans de nombreux écosystèmes du monde¹. Par conséquent, la compréhension de la dynamique énergétique dans les chaînes alimentaires menacées peut aider à atténuer les effets négatifs des changements environnementaux et à prévenir les extinctions secondaires.

Les changements induits par l’homme peuvent également avoir un impact sur la santé des organismes au sommet de la chaîne alimentaire, y compris les humains. Un exemple bien connu est la bioaccumulation et la bioamplification du mercure dans les chaînes alimentaires aquatiques. La bioaccumulation du mercure commence au premier niveau, lorsque le mercure est absorbé par les organismes au bas de la chaîne alimentaire. La bioamplification se produit lorsque le mercure est transmis aux consommateurs, sa concentration augmentant à chaque niveau trophique. Enfin, diverses espèces de grands poissons qui se trouvent plus haut dans la chaîne alimentaire peuvent contenir des niveaux élevés de mercure². Par conséquent, les professionnels de la santé déconseillent la consommation de grandes quantités de certaines espèces de poissons.

Bien que la perte d’un producteur primaire puisse être préjudiciable, l’élimination de certains consommateurs appelés « prédateurs clés » peut également avoir un impact négatif. Dans une expérience où des étoiles de mer ocres ont été retirées d’un rocher, les moules dont ces étoiles de mer se nourrissaient ont surpeuplé et exacerbé les ressources environnementales et l’espace libre³. En tant que prédateurs clés, les étoiles de mer ocres ont permis de contrôler la population de moules et de maintenir la diversité sur la roche. Lorsque l’énergie s’accumulait sous forme de biomasse sous forme de moules, l’environnement était déséquilibré. Ainsi, comprendre comment l’énergie est transférée dans un écosystème peut aider les scientifiques à savoir quelles populations empêchent les autres de proliférer.

Références

1. Eklof, A. et Ebenman, B. Disparition d’espèces et extinctions secondaires dans des communautés modèles simples et complexes. J Écologie animale. 2006, vol. 75, 1 (239-46).
2. Gray, JS. La bioamplification dans les systèmes marins : le point de vue d’un écologiste. Bulletin sur la pollution marine. 2002, vol. 45, 46-52.
3. Paine, RT. Complexité du réseau trophique et diversité des espèces. Le naturaliste américain. 1966, vol. 100, 910 (65-75).

Première loi de la thermodynamique, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement transformée, peut être démontrée au sein d’un réseau alimentaire classique. Ici, l’énergie lumineuse du soleil est d’abord exploitée sous forme d’énergie rayonnante par les plantes, puis convertie en énergie chimique stockée sous forme de glucides complexes. Une partie de la végétation finit par être consommée par les animaux. Dans leur processus de décomposition des sucres, l’énergie est soit libérée sous forme de chaleur, stockée dans des macromolécules sous forme de réserves d’énergie chimique à utiliser plus tard, soit transmise à un prédateur. Chacune de ces étapes de la chaîne alimentaire est appelée niveau tropique. Les plantes sont les productrices. L’écureuil serait le consommateur primaire, et le renard prédateur serait le consommateur secondaire. La matière organique qui est transférée du niveau tropique au niveau suivant s’appelle la biomasse - généralement mesurée en unités d’énergie, calories ou kilocalories.

Cependant, le transfert de biomasse n’est pas linéaire. Une fois que les producteurs primaires ont reçu de l’énergie du soleil et fabriqué de la nourriture, en raison de la respiration cellulaire, une petite quantité est transformée en énergie thermique inutilisable qui est libérée avec le dioxyde de carbone dans l’environnement. L’énergie lumineuse totale captée est appelée productivité primaire brute ou PPG. Si vous soustrayez l’énergie perdue par la respiration de la PPG, le résultat est la productivité primaire nette ou PPN, qui est le taux d’énergie auquel la biomasse est stockée. De même, alors que les consommateurs primaires récoltent de l’énergie chimique à partir des plantes, ils libèrent également une petite quantité d’énergie thermique avec du dioxyde de carbone pendant le métabolisme. Et seule une partie de la biomasse consommée est restituée dans leurs tissus. Enfin, au niveau des prédateurs, seule une fraction de l’énergie originale exploitée par le soleil est disponible. Par conséquent, la biomasse transférée du producteur au consommateur primaire n’est pas égale à la biomasse transférée du producteur au consommateur secondaire. Ces changements dans la biomasse à chaque niveau d’une chaîne alimentaire nous renseignent sur la productivité d’un écosystème particulier dans son ensemble.

Dans ce laboratoire, vous étudierez ces principes de dynamique énergétique et de productivité en mesurant le transfert de biomasse et d’énergie d’un producteur, le chou, à un consommateur primaire, le ver du chou.