À propos de cette page
Ce cours de spécialité svt en terminale sur « Écologie des écosystèmes : flux de matière et d'énergie » suit le programme officiel de spécialité svt de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'écosystème : définition et composantes, La productivité primaire : fixer l'énergie solaire, Les niveaux trophiques et les réseaux alimentaires, Les transferts d'énergie et les rendements écologiques. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en spécialité svt.
Au programme
1 · L'écosystème : définition et composantes
2 · La productivité primaire : fixer l'énergie solaire
3 · Les niveaux trophiques et les réseaux alimentaires
4 · Les transferts d'énergie et les rendements écologiques
5 · La décomposition et le rôle des décomposeurs
6 · Les cycles biogéochimiques : carbone et azote
7 · Impact des activités humaines sur les cycles et les flux
8 · Méthodes de mesure de la productivité et des flux
1L'écosystème : définition et composantes
Un écosystème est un ensemble formé par une biocénose (communauté d'êtres vivants) et son biotope (milieu physico-chimique), en interaction constante. L'écosystème est une unité fonctionnelle qui traite de la matière et de l'énergie.
Définitions clés.
• Biotope : milieu abiotique (sol, eau, air, lumière, température, pH…).
• Biocénose : ensemble des êtres vivants occupant ce biotope (phytocénose + zoocénose + microbiote).
• Écosystème = biotope + biocénose.
Les organismes d'un écosystème sont classés selon leur mode de nutrition :
- Producteurs (autotrophes) : synthétisent de la matière organique à partir d'éléments minéraux, grâce à la lumière (photosynthèse) ou à l'énergie chimique (chimiosynthèse).
- Consommateurs (hétérotrophes) : obtiennent leur énergie en consommant de la matière organique préformée (herbivores, carnivores, omnivores).
- Décomposeurs : dégradent la matière organique morte (bactéries, champignons saprophytes) en éléments minéraux.
Astuce. Retenez les trois grands groupes fonctionnels : Producteurs – Consommateurs – Décomposeurs (PCD).
2La productivité primaire : fixer l'énergie solaire
La productivité primaire brute (PPB) correspond à la quantité totale de matière organique synthétisée par les producteurs primaires par unité de temps et de surface grâce à la photosynthèse.
Formules essentielles.
$\text{PPB} = \text{PPN} + R_{auto}$
$\text{PPN} = \text{PPB} - R_{auto}$
où $R_{auto}$ est la respiration des autotrophes et PPN est la productivité primaire nette (fraction disponible pour les consommateurs).
La PPN est la biomasse effectivement accumulée par les producteurs, disponible pour le reste de l'écosystème. Elle s'exprime en g de matière sèche · m⁻² · an⁻¹ ou en kJ · m⁻² · an⁻¹.
Exemple. Dans une forêt tempérée : PPB ≈ 2 000 g MS·m⁻²·an⁻¹ ; $R_{auto}$ ≈ 900 g MS·m⁻²·an⁻¹ → PPN ≈ 1 100 g MS·m⁻²·an⁻¹.
| Écosystème | PPN moyenne (g MS·m⁻²·an⁻¹) |
|---|
| Forêt tropicale humide | 2 000 – 3 500 |
| Forêt tempérée | 600 – 1 500 |
| Prairie | 200 – 600 |
| Océan ouvert | 50 – 200 |
| Désert | 0 – 10 |
La PPN dépend des facteurs limitants : lumière, eau, CO₂, température, nutriments minéraux (N, P, K). La loi du minimum de Liebig stipule que la productivité est limitée par le facteur le plus rare.
Attention ! La PPN ne tient pas compte des pertes liées aux décomposeurs et aux consommateurs. La biomasse accumulée à un instant donné est la biomasse nette, distincte de la productivité (flux par unité de temps).
3Les niveaux trophiques et les réseaux alimentaires
Un réseau alimentaire (ou réseau trophique) représente l'ensemble des relations alimentaires entre les organismes d'un écosystème. Il est composé de chaînes alimentaires entrelacées.
Niveaux trophiques.
• N1 : Producteurs primaires (végétaux, algues, cyanobactéries)
• N2 : Consommateurs primaires (herbivores)
• N3 : Consommateurs secondaires (carnivores de 1er ordre)
• N4 : Consommateurs tertiaires (carnivores de 2e ordre)
• Détritivores / Décomposeurs : minéralisent la matière organique morte
La biomasse d'un niveau trophique est la masse totale de matière vivante à un instant $t$. Elle diminue généralement avec le niveau trophique : c'est la pyramide des biomasses.
Exemple de chaîne alimentaire.
Herbe (N1) → Criquet (N2) → Grenouille (N3) → Couleuvre (N4) → Buse (N5)
Astuce. Une même espèce peut appartenir à plusieurs niveaux trophiques selon ce qu'elle consomme (ex : l'Homme, omnivore). On parle alors d'omnivorie.
4Les transferts d'énergie et les rendements écologiques
À chaque passage d'un niveau trophique au suivant, une grande partie de l'énergie est perdue. Ces pertes résultent de la respiration (chaleur), des excréments non assimilés, de la matière non consommée.
Rendement écologique (RE).
$$RE = \frac{\text{Productivité du niveau N+1}}{\text{Productivité du niveau N}} \times 100$$
En moyenne, $RE \approx 10\,\%$ (règle des 10 %).
Ce faible rendement explique :
- La pyramide des nombres : le nombre d'individus diminue généralement avec le niveau trophique.
- La longueur limitée des chaînes alimentaires : au-delà de 4 ou 5 maillons, l'énergie disponible est insuffisante pour maintenir une population.
- L'efficacité alimentaire de la production animale : produire 1 kg de viande nécessite environ 10 kg de végétaux.
Calcul. Si la PPN d'une prairie est de 8 000 kJ·m⁻²·an⁻¹ :
• Productivité herbivores (N2) : $8000 \times 0{,}10 = 800$ kJ·m⁻²·an⁻¹
• Productivité carnivores N3 : $800 \times 0{,}10 = 80$ kJ·m⁻²·an⁻¹
• Carnivores N4 : $80 \times 0{,}10 = 8$ kJ·m⁻²·an⁻¹
Attention ! Le rendement de 10 % est une moyenne. Il varie de 5 à 20 % selon les espèces et les milieux. Les animaux à sang chaud (endothermes) ont des rendements plus faibles car ils dépensent plus d'énergie pour maintenir leur température.
5La décomposition et le rôle des décomposeurs
Les décomposeurs (bactéries et champignons saprophytes) minéralisent la matière organique morte : litière végétale, cadavres, excréments. Cette décomposition est un processus aérobie ou anaérobie fondamental pour recycler les nutriments.
La décomposition se déroule en plusieurs étapes :
- Fragmentation mécanique par les détritivores (vers de terre, cloportes, collemboles).
- Attaque enzymatique par les champignons et bactéries (hydrolyse des polymères : cellulose, lignine, protéines).
- Minéralisation : libération de sels minéraux ($NH_4^+$, $NO_3^-$, $PO_4^{3-}$, $CO_2$, $H_2O$) réutilisables par les producteurs.
Humus. Résidu organique stabilisé issu de la décomposition partielle (humification), il enrichit et structure le sol. L'humus est un compartiment de stockage du carbone.
Astuce. Sans décomposeurs, les éléments minéraux seraient définitivement immobilisés dans la matière organique morte et les producteurs manqueraient de nutriments : l'écosystème s'effondrerait.
6Les cycles biogéochimiques : carbone et azote
Un cycle biogéochimique décrit le mouvement d'un élément chimique entre les compartiments biotiques (êtres vivants) et abiotiques (sol, eau, atmosphère) d'un écosystème.
Le cycle du carbone
Le carbone circule entre l'atmosphère ($CO_2$), les producteurs, les consommateurs, les décomposeurs et les sédiments (combustibles fossiles, calcaires).
- Photosynthèse : $6\,CO_2 + 6\,H_2O \xrightarrow{lumière} C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$ → fixe le $CO_2$ atmosphérique.
- Respiration de tous les organismes : libère du $CO_2$.
- Décomposition : minéralisation du carbone organique en $CO_2$ ou $CH_4$ (fermentation anaérobie).
- Sédimentation : carbone organique enfoui → combustibles fossiles (sur des millions d'années).
Flux de carbone. La quantité de $CO_2$ échangée entre l'écosystème terrestre et l'atmosphère est la différence entre la photosynthèse brute et la respiration totale de l'écosystème (NEP : Net Ecosystem Production).
Le cycle de l'azote
L'azote est essentiel aux acides aminés, protéines et acides nucléiques. Le cycle de l'azote comprend :
- Fixation de $N_2$ atmosphérique par les bactéries fixatrices (Rhizobium, cyanobactéries) → $NH_4^+$.
- Nitrification : $NH_4^+$ → $NO_2^-$ → $NO_3^-$ (par bactéries nitrifiantes).
- Assimilation par les végétaux : absorption de $NO_3^-$ et $NH_4^+$.
- Dénitrification : $NO_3^-$ → $N_2$ (restitution à l'atmosphère par bactéries anaérobies).
- Ammonification : dégradation des protéines mortes → $NH_4^+$ (décomposeurs).
Exemple. Dans une prairie avec légumineuses (trèfle, luzerne) : les bactéries Rhizobium des nodosités racinaires fixent $N_2$ atmosphérique → jusqu'à 200 kg N·ha⁻¹·an⁻¹, enrichissant le sol sans engrais.
7Impact des activités humaines sur les cycles et les flux
Les activités humaines perturbent profondément les cycles biogéochimiques et les flux d'énergie :
Perturbation du cycle du carbone
- Combustion des énergies fossiles : libère du $CO_2$ stocké depuis des millions d'années → augmentation de la concentration atmosphérique (de 280 ppm préindustriel à > 420 ppm en 2024).
- Déforestation : réduit la capacité de photosynthèse et libère du carbone stocké dans la biomasse et le sol.
Perturbation du cycle de l'azote
- Engrais azotés : fixation industrielle de $N_2$ (procédé Haber-Bosch) → ruissellement de $NO_3^-$ → eutrophisation des eaux (prolifération d'algues, appauvrissement en $O_2$).
- Pluies acides : $NO_x$ issus des moteurs → acide nitrique → acidification des sols et eaux.
Attention ! L'eutrophisation est un exemple de perturbation des cycles : l'excès de nutriments (N, P) provoque une algaison massive, puis la décomposition de cette biomasse consomme tout l'oxygène dissous, créant des zones mortes (anoxie).
Astuce. Le bilan carbone d'un écosystème peut être positif (puits de $CO_2$ : forêt adulte dense) ou négatif (source de $CO_2$ : tourbière drainée, forêt brûlée). L'ensemble des écosystèmes terrestres absorbe environ 2,5 Gt C·an⁻¹.
8Méthodes de mesure de la productivité et des flux
Pour étudier les flux de matière et d'énergie dans un écosystème, les écologues utilisent plusieurs méthodes :
Mesure de la productivité primaire
- Méthode par récolte : pesée de la biomasse produite sur une surface délimitée (pour les végétaux terrestres).
- Méthode des bouteilles claires/sombres (milieu aquatique) : variation de l'$O_2$ dissous dans des flacons éclairés (photosynthèse + respiration) vs obscurcis (respiration seule) → calcul de la PPN et PPB.
- Méthode par télédétection : indice NDVI mesuré par satellites (reflectance de la végétation → estimation de la chlorophylle active).
Mesure des flux de carbone
- Méthode des tourbillons turbulents (eddy covariance) : mesure continue des échanges de $CO_2$ entre l'écosystème et l'atmosphère sur des tours instrumentées.
- Traceurs isotopiques : carbone 13 ($^{13}C$) ou carbone 14 ($^{14}C$) permettent de suivre le transfert du carbone dans les chaînes trophiques.
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).
$$NDVI = \frac{R_{PIR} - R_{Rouge}}{R_{PIR} + R_{Rouge}}$$
Il mesure l'activité photosynthétique à grande échelle. Valeurs entre -1 et +1 ; végétation dense active ≈ 0,6 – 0,9.
Exemple — méthode des bouteilles.
Bouteille claire : $\Delta O_2 = +3$ mg/L/h (photosynthèse nette − respiration)
Bouteille sombre : $\Delta O_2 = -1$ mg/L/h (respiration seule)
→ PPB : $3 + 1 = 4$ mg O₂/L/h ; PPN : +3 mg O₂/L/h.
★À retenir
En bref :
• Un écosystème = biocénose + biotope ; trois groupes fonctionnels : producteurs, consommateurs, décomposeurs.
• La PPN = PPB − respiration des autotrophes ; elle mesure la matière organique disponible pour les consommateurs.
• Règle des 10 % : seule ~10 % de l'énergie d'un niveau trophique est transférée au niveau suivant (pertes par respiration, excréments, non-consommation).
• Les cycles biogéochimiques (C, N, P…) bouclent grâce aux décomposeurs qui minéralisent la matière organique.
• L'Homme perturbe ces cycles : combustion fossile (+CO₂), engrais (+N → eutrophisation), déforestation.
• Méthodes clés : bouteilles claires/sombres (aquatique), eddy covariance, NDVI (télédétection).