Écosystèmes et Écologie : Cours Complet
Seconde & Terminale spécialité SVT — Réseaux trophiques, cycles biogéochimiques, flux d'énergie et enjeux environnementaux
📋 Sommaire
1. Définition d'un écosystème
8. Le cycle de l'azote
2. Les niveaux trophiques
9. Dynamique des populations
3. Chaînes et réseaux alimentaires
10. Les agrosystèmes
4. Flux d'énergie
11. Perturbations et enjeux environnementaux
5. Productivité et pyramides
12. Exercices types bac
6. Le cycle du carbone
13. Questions fréquentes
7. Photosynthèse et respiration
8. Le cycle de l'azote
2. Les niveaux trophiques
9. Dynamique des populations
3. Chaînes et réseaux alimentaires
10. Les agrosystèmes
4. Flux d'énergie
11. Perturbations et enjeux environnementaux
5. Productivité et pyramides
12. Exercices types bac
6. Le cycle du carbone
13. Questions fréquentes
7. Photosynthèse et respiration
SECTION 01
Définition d'un écosystème
📌 Composantes
Un écosystème est l'ensemble formé par une biocénose (communauté d'êtres vivants) et son biotope (milieu physico-chimique), en interaction.
Écosystème = Biocénose + Biotope + Interactions
| Composante | Définition | Exemples |
|---|---|---|
| Biotope | Facteurs abiotiques (non vivants) | Température, lumière, eau, sol, pH, salinité |
| Biocénose | Facteurs biotiques (vivants) | Animaux, végétaux, champignons, bactéries |
📝 Exemples d'écosystèmes
Un étang, une forêt tropicale, un récif corallien, une prairie alpine, un sol forestier. Même une flaque d'eau est un micro-écosystème. Les écosystèmes existent à toutes les échelles.
🌍 Les biomes sont de grands écosystèmes définis par le climat : toundra, taïga, forêt tempérée, savane, désert, forêt tropicale humide, milieu marin. La répartition des biomes dépend de la température et des précipitations.
SECTION 02
Les niveaux trophiques
| Niveau | Organisme | Source d'énergie | Exemples |
|---|---|---|---|
| Producteurs primaires | Autotrophes | Lumière (photosynthèse) ou chimie (chimiosynthèse) | Plantes, algues, cyanobactéries |
| Consommateurs I | Herbivores | Producteurs primaires | Lapin, chenille, zooplancton |
| Consommateurs II | Carnivores primaires | Herbivores | Renard, mésange, grenouille |
| Consommateurs III | Carnivores secondaires (superprédateurs) | Carnivores primaires | Aigle, loup, requin |
| Décomposeurs | Saprophytes/détritivores | Matière organique morte | Champignons, bactéries, vers de terre |
📘 Les décomposeurs sont essentiels : ils recyclent la matière organique en matière minérale (CO₂, NH₄⁺, NO₃⁻, PO₄³⁻), réutilisable par les producteurs. Sans eux, la matière organique s'accumulerait et les cycles biogéochimiques seraient bloqués.
SECTION 03
Chaînes et réseaux alimentaires
📌 Chaîne alimentaire
Succession linéaire d'organismes où chacun mange le précédent. Chaque maillon = un niveau trophique.
Herbe → Criquet → Grenouille → Couleuvre → Rapace
📌 Réseau trophique
En réalité, chaque espèce a plusieurs proies et plusieurs prédateurs. L'ensemble des chaînes alimentaires interconnectées forme un réseau trophique, bien plus complexe et réaliste qu'une chaîne linéaire.
🎯 La disparition d'une espèce peut déséquilibrer tout le réseau. Exemple : la disparition des loups dans le parc de Yellowstone a provoqué la surpopulation de cervidés → surpâturage → érosion des berges. Leur réintroduction a restauré l'équilibre (cascade trophique).
SECTION 04
Flux d'énergie
📌 Source d'énergie
Presque toute l'énergie des écosystèmes provient du Soleil. Les producteurs captent l'énergie lumineuse par photosynthèse et la transforment en énergie chimique (matière organique). Cette énergie circule ensuite dans le réseau trophique.
Soleil → Producteurs (photosynthèse) → Consommateurs I → II → III
↓ à chaque niveau
Pertes par respiration (chaleur)
+ matière non consommée → décomposeurs
↓ à chaque niveau
Pertes par respiration (chaleur)
+ matière non consommée → décomposeurs
⚠️ L'énergie ne se recycle PAS. À chaque niveau trophique, ~90% de l'énergie est perdue sous forme de chaleur (respiration cellulaire) ou de matière non assimilée. Seuls ~10% passent au niveau supérieur. C'est pourquoi les chaînes alimentaires dépassent rarement 4-5 maillons.
📝 Calcul
Producteurs : 10 000 kJ. Consommateurs I : ~1 000 kJ (10%). Consommateurs II : ~100 kJ. Consommateurs III : ~10 kJ. Au 4ᵉ niveau, il ne reste que 0,1% de l'énergie initiale.
SECTION 05
Productivité et pyramides écologiques
| Terme | Définition |
|---|---|
| Productivité primaire brute (PPB) | Quantité totale de matière organique produite par photosynthèse |
| Productivité primaire nette (PPN) | PPB − respiration des producteurs = matière disponible pour les consommateurs |
| Biomasse | Masse totale de matière vivante par unité de surface (g/m² ou kg/ha) |
PPN = PPB − Respiration
📌 Pyramides écologiques
Représentation graphique des niveaux trophiques empilés. Trois types :
• Pyramide des nombres : nombre d'individus (parfois inversée : 1 arbre → milliers d'insectes).
• Pyramide des biomasses : masse de matière vivante (parfois inversée en milieu marin : phytoplancton < zooplancton en biomasse instantanée car renouvellement rapide).
• Pyramide des énergies : flux d'énergie (toujours en forme de pyramide, jamais inversée).
SECTION 06
Le cycle du carbone
📌 Réservoirs et flux
| Réservoir | Stock (Gt C) | Forme |
|---|---|---|
| Lithosphère | ~65 000 000 | Roches calcaires, combustibles fossiles |
| Océan profond | ~38 000 | CO₂ dissous, carbonates |
| Sol | ~2 400 | Humus, matière organique |
| Atmosphère | ~880 | CO₂ (~420 ppm en 2024) |
| Biomasse terrestre | ~450 | Matière organique vivante |
Flux naturels :
Photosynthèse : CO₂ atmosphérique → matière organique (~120 Gt C/an)
Respiration : matière organique → CO₂
Décomposition : matière morte → CO₂ + minéraux
Dissolution océanique : CO₂ ⇌ HCO₃⁻Flux anthropiques :
Combustion fossile : +9,5 Gt C/an
Déforestation : +1,5 Gt C/an
Photosynthèse : CO₂ atmosphérique → matière organique (~120 Gt C/an)
Respiration : matière organique → CO₂
Décomposition : matière morte → CO₂ + minéraux
Dissolution océanique : CO₂ ⇌ HCO₃⁻Flux anthropiques :
Combustion fossile : +9,5 Gt C/an
Déforestation : +1,5 Gt C/an
⚠️ Déséquilibre actuel : Les émissions humaines (~11 Gt C/an) excèdent la capacité d'absorption des puits naturels (océans + biosphère ≈ 5,5 Gt C/an). Le surplus (~5,5 Gt C/an) s'accumule dans l'atmosphère → effet de serre renforcé → réchauffement climatique.
SECTION 07
Photosynthèse et respiration
Photosynthèse (chloroplastes, lumière) :
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂Respiration cellulaire (mitochondries) :
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie (ATP)
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂Respiration cellulaire (mitochondries) :
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie (ATP)
| Critère | Photosynthèse | Respiration |
|---|---|---|
| Organite | Chloroplaste | Mitochondrie |
| Réactifs | CO₂ + H₂O + lumière | Glucose + O₂ |
| Produits | Glucose + O₂ | CO₂ + H₂O + ATP |
| Énergie | Absorbée (endergonique) | Libérée (exergonique) |
| Organismes | Autotrophes (plantes, algues) | Tous les êtres vivants |
| Moment | Jour (lumière nécessaire) | Jour et nuit (en continu) |
✅ La photosynthèse et la respiration sont les deux faces du cycle du carbone biologique. La photosynthèse fixe le CO₂ en matière organique (puits). La respiration relâche le CO₂ (source). À l'échelle planétaire, ces flux étaient à peu près équilibrés avant l'ère industrielle.
SECTION 08
Le cycle de l'azote
Atmosphère : N₂ (78%)
↓ Fixation (bactéries fixatrices : Rhizobium, cyanobactéries, éclairs, industrie Haber-Bosch)
NH₄⁺ (ammonium)
↓ Nitrification (bactéries nitrifiantes)
NO₃⁻ (nitrate) → absorbé par les plantes → protéines
↓ Décomposition → NH₄⁺ (ammonification)
↓ Dénitrification (bactéries anaérobies) → N₂ retourne à l'atmosphère
↓ Fixation (bactéries fixatrices : Rhizobium, cyanobactéries, éclairs, industrie Haber-Bosch)
NH₄⁺ (ammonium)
↓ Nitrification (bactéries nitrifiantes)
NO₃⁻ (nitrate) → absorbé par les plantes → protéines
↓ Décomposition → NH₄⁺ (ammonification)
↓ Dénitrification (bactéries anaérobies) → N₂ retourne à l'atmosphère
💡 L'azote est un élément limitant : essentiel pour les protéines et les acides nucléiques, il n'est pas directement utilisable sous forme N₂ par les plantes. La fixation biologique et les engrais azotés le rendent assimilable. L'excès d'engrais provoque l'eutrophisation (prolifération d'algues → appauvrissement en O₂).
SECTION 09
Dynamique des populations
📌 Facteurs de régulation
| Facteur | Effet | Exemple |
|---|---|---|
| Prédation | Régule la population de proies | Lynx-lièvres (cycles oscillants) |
| Compétition | Interspécifique (2 espèces, même ressource) ou intraspécifique | Deux espèces de paramécie en culture |
| Parasitisme | Affaiblit/tue l'hôte | Gui sur un arbre, Plasmodium (paludisme) |
| Symbiose (mutualisme) | Bénéfice réciproque | Mycorhizes (champignon + racines), abeille-fleur |
| Capacité biotique du milieu (K) | Nombre max d'individus que le milieu peut supporter | Croissance logistique (courbe en S) |
📘 Croissance exponentielle vs logistique : Sans limite de ressources, une population croît exponentiellement (courbe en J). En réalité, la compétition pour les ressources ralentit la croissance → la population se stabilise autour de K (courbe en S, modèle logistique).
SECTION 10
Les agrosystèmes
| Critère | Écosystème naturel | Agrosystème |
|---|---|---|
| Biodiversité | Élevée | Faible (monoculture) |
| Source d'énergie | Soleil uniquement | Soleil + intrants (engrais, machines, pesticides) |
| Cycles de matière | Fermés (recyclage par décomposeurs) | Ouverts (exportation des récoltes) |
| Stabilité | Auto-régulé, résilient | Fragile, dépendant de l'intervention humaine |
| Productivité nette | Variable | Élevée (optimisée pour la production) |
🎯 Services écosystémiques : Les écosystèmes rendent des services gratuits et essentiels : production d'O₂, purification de l'eau, pollinisation (~75% des cultures), régulation du climat, prévention des inondations, formation des sols. Leur valeur économique est estimée à des milliers de milliards de dollars par an.
SECTION 11
Perturbations et enjeux environnementaux
| Menace | Cause | Conséquence |
|---|---|---|
| Changement climatique | Émissions de GES (CO₂, CH₄, N₂O) | +1,2°C depuis 1850, fonte glaciers, montée des eaux, événements extrêmes |
| Destruction des habitats | Déforestation, urbanisation, agriculture intensive | Perte de biodiversité, fragmentation |
| Pollution | Pesticides, plastiques, nitrates, métaux lourds | Eutrophisation, bioaccumulation, déclin des pollinisateurs |
| Surexploitation | Pêche, chasse, prélèvements excessifs | Effondrement des stocks, extinction d'espèces |
| Espèces invasives | Introduction (volontaire ou accidentelle) d'espèces exotiques | Compétition avec les espèces natives, déséquilibre |
🌍 Solutions : Aires protégées, corridors écologiques, agriculture durable (agroécologie, rotation, lutte biologique), réduction des émissions, économie circulaire, restauration des écosystèmes dégradés. Le programme SVT invite à développer un esprit critique sur ces enjeux.
SECTION 12
Exercices types bac
Type 1 — Réseau trophique
🧠 Réseau : herbe → criquet → grenouille → couleuvre. Que se passe-t-il si les grenouilles disparaissent ?
Les criquets ne sont plus régulés → pullulation → surpâturage de l'herbe. Les couleuvres perdent leur proie → déclin. L'ensemble du réseau est déséquilibré (cascade trophique).
Type 2 — Flux d'énergie
🧠 Producteurs : 50 000 kJ/m²/an. Rendement de transfert = 10%. Énergie disponible pour les consommateurs III ?
C-I : 5 000 kJ → C-II : 500 kJ → C-III : 50 kJ/m²/an. Soit 0,1% de l'énergie initiale des producteurs.
Type 3 — Cycle du carbone
🧠 Quels processus libèrent du CO₂ dans l'atmosphère ? Lesquels le fixent ?
Libération : respiration, décomposition, combustion fossile, éruptions volcaniques. Fixation : photosynthèse, dissolution océanique, sédimentation calcaire.
Type 4 — Agrosystème vs écosystème naturel
🧠 Pourquoi un agrosystème nécessite-t-il des engrais, contrairement à une forêt ?
En forêt, les décomposeurs recyclent la matière organique en minéraux (cycle fermé). Dans un agrosystème, la récolte exporte la matière → les minéraux ne sont pas restitués au sol → il faut compenser par des engrais (cycle ouvert).
Type 5 — Eutrophisation
🧠 Lac recevant des nitrates agricoles. Prolifération d'algues, puis mort des poissons. Expliquer.
Nitrates → prolifération algale (bloom). Algues mortes → décomposition par bactéries aérobies → consommation massive d'O₂ → anoxie (manque d'oxygène) → mort des poissons. C'est l'eutrophisation.
SECTION 13
Questions fréquentes
Écosystème ?
Biocénose + Biotope + Interactions. Relations trophiques, cycles de matière, flux d'énergie.
Chaîne alimentaire ?
Succession linéaire producteur→herbivore→carnivore. En réalité = réseau trophique interconnecté.
Peu de niveaux trophiques ?
~90% d'énergie perdue à chaque niveau (respiration). Après 4-5 niveaux, plus assez d'énergie.
Cycle du carbone ?
CO₂ ↔ matière organique (photosynthèse/respiration). Combustion fossile déséquilibre le cycle.
Eutrophisation ?
Excès de nitrates → bloom algal → décomposition → anoxie → mort des poissons.
PPN ?
PPN = PPB − Respiration. Énergie disponible pour les consommateurs.
Écosystème naturel vs agrosystème ?
Naturel = biodiversité, cycles fermés, autorégulé. Agrosystème = monoculture, cycles ouverts, intrants.
Services écosystémiques ?
O₂, pollinisation, eau propre, sols fertiles, climat. Gratuits et irremplaçables.
Menaces ?
Climat, destruction habitats, pollution, surexploitation, espèces invasives → 6ᵉ extinction.
Ça tombe au bac SVT ?
Oui. Réseaux trophiques, flux énergie, cycles biogéochimiques, agrosystèmes, enjeux environnementaux.