Le fonctionnement et l'évolution de l'écosystème - 2nd

L’écosystème est un ensemble fonctionnel formé du biotope et de la biocénose. Dans le milieu, la répartition des êtres vivants n’est pas du hasard. Elle est sous le contrôle des conditions du milieu mais également de l’action des êtres vivants sur les autres. Ceux-ci peuvent produire leurs nourritures à partir de certaines conditions ce qui favorise leur développement  et l’évolution des écosystèmes

La lumière intervient dans la répartition des animaux .certains animaux ont une affinité avec  la lumière alors que d’autres préfèrent la pénombre.

Dans les conditions d’éclairage non uniforme, la lumière déclenche un phototropisme qui modifie la morphologie de la plante.Les plantes peuvent être classées en fonction de leur exigence en lumière. On distingue :

$-\ $ Les plantes héliophiles ne vivant qu’à une température voisine du maximum d’éclairement solaire.il s’agit des plantes de désert, de steppe et de haute montagne.

$-\ $ Les plantes sciaphiles, c'est-à-dire adaptées à l’ombre.

L’alternance de la température dans un cycle de $24h$ à une influence sur la répartition et l’activité des insectes et des animaux. En général la plupart de ces derniers présentent une température corporelle qui suit les fluctuations de la température ambiante, ce sont les poïkilothermes ou hétérothermes.La température agit aussi par son intensité. La vie active des animaux se situe  dans une zone favorable de température comprise entre deux limites (inférieure et supérieure).Les températures en dehors de cette zone sont dites létales car pouvant entrainer la mort del’animal.Cependant certains animaux peuvent survivre en développant des stratégies d’adaptation (hibernation pour des températures situant en deçà de la limite inférieure et estivation pour des températures au-delà de la limite supérieure.

Pour se développer les plantes fabriquent leur propre nourriture en assimilant le $CO_{2}$. Cependant cette assimilation comparable à la croissance n’est possible que dans une certaine limite. La courbe d’assimilation en fonction de la température est une courbe en cloche ayant un minimum, un optimum et un maximum.

Les plantes sont réparties selon leur affinité à l’eau. Lorsque les conditions sont défavorables (sécheresse), on assiste à des adaptations. Comme exemple d’adaptation, on a la réduction des feuilles en épine.Les types biologiques de Raunkier est modèle qui détaille les adaptions des végétaux.

Les espèces animales terrestres dépendent plus ou moins directement de l’eau, donc du régime des pluies. Lors de la période de sécheresse les animaux migrent à la recherche de pâturages reverdis par les pluies.

Dans les zones très ventées, les plantes présentent une morphologie inclinée vers le sens de la direction des vents. Ainsi  en bordure de mer les végétaux ont un port en drapeau.

Le vent est un facteur prépondérant qui intervient dans le vol des grands oiseaux marins. Lorsque le vol se fait à la même direction du vent les oiseaux ont un vol plané avec de faibles dépenses énergétiques. Dans le cas contraire les dépenses énergétiques sont énormes

L'indice d'aridité de Martonne à partir de la formule suivante :
$$I_{a}=P/(T+10)$$ qui utilise les hauteurs annuelles des précipitations $(P$ en $mm)$, et les températures moyennes annuelles $(T$ en $^{\circ}C).$

Il permet de déterminer le climat d’une région :

$-\ $ Région aride quand $I_{a}<10$

$-\ $ Région semi-aride $10<I_{a}<20$

$-\ $ Région humide $I_{a}>20$

La température moyenne mensuelle et la pluviométrie moyenne mensuelle d’une région donnée sont recueillies dans le tableau ci-dessous.

$$\begin{array}{|c|c|c|} \hline \text{Mois}&\text{Températures }^{\circ}C&\text{Pluviométries }(mm)\\ \hline \text{Jan}&0.8&120\\ \hline \text{Fév}&1.5&90\\ \hline \text{Mars}&3&60\\ \hline \text{Avr}&10&70\\ \hline \text{Mai}&17&40\\ \hline \text{Juin}&24&25\\ \hline \text{Juil}&27&10\\ \hline \text{Aout}&23&20\\ \hline \text{Sept}&18&35\\ \hline \text{Oct}&13&60\\ \hline \text{Nov}&4&80\\ \hline \text{Dec}&1.2&100\\ \hline \end{array}$$

1) Calculer l’indice d’aridité de Martonne de cette région.

2) Déterminez le climat de la région.

1) Calculons l’indice d’aridité de Martonne.

$I_{a}= P/(T+10)$,

$P=710\,mm$

$T=\dfrac{\text{Somme des températures mensuelles}}{12}$

 

$T=11.9^{\circ}C$

 

$I_{a}=\dfrac{710}{(11.9+10)}$

 

$I_{a}=32.4$

2) Donnons le climat de la région.

$I_{a}=32.4<20$, donc la région est humide.

b) Le quotient pluviothermique $(Q)$

Le quotient pluviothermique permet de distinguer des étages climatiques. Il peut être obtenu à partir de la formule suivante :

$Q=\dfrac{P\times 100}{(M-m)(M+m)}$

$P$ est la hauteur annuelle des pluies en $mm$.

$M$ est la moyenne des maxima de température du mois le plus chaud.

$m$ est la moyenne des minima de température du mois le plus froid.

Le diagramme ombrothermique est une représentation graphique du climat d’un lieu donné. Il est caractérisé par la présence de $3$ axes. L’axe des abscisses représentant les mois de l’année, l’axe droit des ordonnées représentant la température $(T)$ moyenne mensuelle $(^{\circ}C)$ et l’axe gauche des ordonnées représentant la pluviométrie moyenne mensuelle $(P)$ en $mm$ Sa construction se fait en prenant comme échelle $P=2T.$ Le diagramme présente donc $2$ courbes, une courbe rouge des températures et bleue des précipitations. Lorsque la courbe des précipitations est au-dessus de celle des températures $(P>T)$, cette période est humide, alors que si  la courbe des précipitations est au-dessous de celle des températures $(P<2T)$, cette période est sèche.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline &J&F&M&A&M&J&J&A&S&O&N&D\\ \hline \text{Températures }(C)&7.2&8.5&10.4&12.9&16.5&20&22.8&22.8&20.2&16.1&11.5&8.4\\ \hline \text{Précipitations }(mm)&76.8&73.1&72.8&63.5&48.6&37&18.9&31.6&64.9&111&117.9&97.9\\ \hline \end{array}$$

Le climatogramme est également une représentation graphique du climat d’une localité. Sa construction se fait en portant en abscisse la température moyenne mensuelle $(^{\circ}C)$ et en ordonnée la hauteur moyenne mensuelle des pluies $(mm).$

En reliant les points correspondant aux mois, on obtient un polygone dont la forme est caractéristique d’un climat donné.

A l’image des facteurs climatiques, les facteurs édaphiques ont également une influence sur la répartition des êtres vivants. Le sol agit sur la répartition des animaux et les végétaux de diverses manières. Le sol agit sur les animaux à travers sa granulométrie, son $pH$, ses constituants chimiques et son eau.

$-\ $ Sur les animaux : L’analyse de l’histogramme montre que le carabe $1$ est plus abondant dans les sols argileux que dans les sols sableux, alors que le carabe $2$ est abondant dans les sols argileux et sableux. Donc nous pouvons en déduire que le carabe $1$ préfère les sols argileux dont la granulométrie est fine, alors que le carabe $2$ est indifférent à la granulométrie du sol.

$-\ $ Sur les végétaux : L’observation de ce schéma montre que l’espèce $1$ se trouve sur les sols limoneux, alors que l’espèce $2$ ne rencontre que dans les sols sableux. On en déduit que l’espèce $1$ préfère les sols limoneux alors que l’espèce $2$ préfère les sols sableux.

$-\ $ Sur les animaux : Ce tableau montre que les escargots sont nombreux dans les sols riches en calcaire, leur coquille est dure, alors qu’ils sont rares dans les sols pauvres en calcaire et leur coquille est fragile. On en déduit que les escargots préfèrent les sols riches en calcaire leur permettant d’avoir une coquille.
$$\begin{array}{|c|c|c|} \hline &\text{Escargots}&\text{État coquille}\\ \hline \text{Sol riche}&\text{Nombreux}&\text{Dure}\\ \text{en calcaire}& &\\ \hline \text{Sol pauvre}&\text{ Rares}&\text{Fragile}\\ \text{en calcaire}& &\\ \hline \end{array}$$

L’observation des galeries creusées par le lombric (ver de terre) montre qu’elles sont plus abondantes quand le $pH$ du sol est égal à $8$ que lorsqu’il est égal à de $4$ ; $6$  ou $12$. On n’en déduit que le lombric préféré les sols dont le $pH=8.$    

$- \ $ Sur les végétaux : Nous constatons sur ce tableau que les sols siliceux sont acides, alors que les sols calcaires sont basiques. Ce tableau de répartition des espèces végétales Aira preacox, Corynephoruscanescens et Arabishirsuta en fonction de la composition chimique et du $pH$ du sol, montre que Aira preacox et Corynephoruscanescens sont abondants sur les sols siliceux acides et rares sur les sols calcaires basiques, alors que Arabishirsuta estabondante sur les sols calcaires basiques et rare sur les sols siliceux acides. Aira preacox et Corynephoruscanescens préfèrent les sols siliceux acides, ce sont des plantes calcifuges acidophiles, alors que Arabishirsuta préfère les sols calcaires basiques, c’est une plante calcicole basophile.
$$\begin{array}{|l|l|l|} \hline &\text{Sols}&\text{Sols}\\ &\text{siliceuxacides }&\text{calcairesbasiques}\\ \hline \text{Airapreacox}&\text{Abondante}&\text{Rare}\\ \hline \text{Corynephoruscanescens}&\text{Abondante}&\text{Rare}\\\hline \text{Arabishirsuta}&\text{Rare}&\text{Abondante}\\ \hline \end{array}$$

Par ailleurs, nous constatons dans la nature que les sols contenant de fortes concentrations de $NaCl$ sont défavorables à la vie de la majorité des plantes. Mais certaines plantes halophiles, appelées halophytes, tolèrent les fortes concentrations de $NaCl$.

L’eau a une influence sur la répartition des animaux et des végétaux :

$-\ $ Chez les animaux, on a des animaux aquatiques qui vivent constamment dans l’eau (poisson), des animaux terrestres et aériens qui ne peuvent pas vivre dans l’eau (l’Homme) et des animaux qui peuvent vivre dans les deux milieux (amphibiens).

$-\ $ Chez les végétaux, on a une répartition en fonction d’un gradient d’humidité décroissant, ce qui se traduit par une zonation de la végétation autour des mares, étangs et lacs. Ainsi nous avons :

$\bullet\ $ Les hydrophytes ou plantes hydrophiles : plantes aquatiques entièrement immergées (Myriophylleto) ou dont les feuilles sont flottantes (nénuphars).

$\bullet\ $ Les hygrophytes ou plantes hygrophiles : plantes dont la base est immergée (Phragmites, Typha).Les mésophytes ou plantes mésophiles : plantes souvent entièrement émergées qui sont poussent sur des sols très spongieux (Cladium).Les xérophytes ou plantes xérophiles : plantes constamment émergées et supportant des périodes de sécheresse plus ou moins longues.

Ce sont des relations d’entraide entre individus d’espèces différentes dont les bénéfices varient en fonction du type de relation.

On parle d’indépendance ou de neutralisme lorsque des espèces différentes vivant dans le même milieu n’entrent pas en compétition pour la nourriture ou l’habitat.

L’exploitation d’un arbre par des animaux peut se faire à différents niveaux :

$-\ $ La girafe exploite les végétaux de $5$ à $6\,m$ de haut ;

$-\ $ Le généruk exploite des végétaux de $2$ à $3\,m$ de haut ;

$-\ $ La madoqua exploite des végétaux de moins de $1\,m$.

On entend par commensalisme une relation entre $2$ individus favorable à l’un des individus sans nuire l’autre. C’est le cas de cette plante épiphyte qui utilise l’arbre pour grimper et accéder à la lumière sans gêner l’arbre.

Le mutualisme est une association entre $2$ ou plusieurs êtres vivants avec des avantages réciproques. Cette association n’est pas obligatoire, car chacun peut vivre seul.

Bernard-l’hermite est protégé par l’anémone de mer contre ses prédateurs, en revanche, l’anémone profite des restes alimentaires de Bernard-l’hermite.

C’est une relation entre $2$ individus d’espèces différentes qui profite aux $2$ individus. En général aucun des individus ne peut vivre seul ou ne peut se développer correctement sans l’autre. On dit que la relation est indispensable aux $2$ individus. Cependant, ils existent des symbioses indispensables à un seul des partenaires.

$-\ $ L’association entre les racines de plantes avec certaines bactéries qui se matérialise par la formation de nodules. Les plantes apportent aux bactéries les sucres dont elles ont besoin pour leur développement et les bactéries leur procurent l’azote nécessaire à leur croissance.

$-\ $ L’association entre les termites et les protozoaires qui se trouvent dans leur intestin. Les termites mangent le bois, mais ne peuvent digérer la cellulose du bois, les protozoaires de leur intestin en se nourrissant décomposent la cellulose du bois qui peut être digérée par les termites.

$-\ $ Chez les animaux il y a compétition entre individus d’espèces différentes pour la nourriture et l’habitat quand la demande est supérieure à l’offre.

Le lapin et le kangourou ont le même régime alimentaire. L’introduction des lapins en Australie entraine une réduction de façon nette de la ration alimentaire du kangourou qui tend à disparaître par manque de nourriture, car le lapin étant plus actif et se reproduisant plus rapidement.

$-\ $ Chez les végétaux la compétition se fait pour la nourriture, l’espace et la lumière.

Le cultivateur enlève les mauvaises herbes pour éviter une compétition avec les semis.

C’est une relation entre le parasite et son hôte. Le parasite vit au dépend de son hôte qui lui procure les aliments dont il a besoin. Il est le seul bénéficiaire de cette relation qui lui est indispensable. Il exploite son hôte sans le tuer.

Le ténia chez les animaux et le gui chez les végétaux.

C’est une relation entre le prédateur et sa proie. Le prédateur recherche sa proie, la tue avant de la manger.

Dans ce cas précis (fig.3), le lynx se nourrit de lièvre. Lorsque le nombre de lièvres augmente celui des lynx augmente avec un léger retard, car mieux nourrit. Une consommation démesurée des lièvres réduit sa population. Ce qui entraine ensuite une réduction de la population de lynx :

$-\ $ Soit par une forte mortalité due à la faim ;

$-\ $ Soit par une migration vers d’autres endroits à la recherche de nourriture.

Ce sont des relations entre $2$ individus d’espèces différentes à travers lesquelles l’un des individus inhibe (ralentit ou bloque) le développement de l’autre.

Paramecium aurelia inhibe le développement de Parameciumcaudatum à travers ses sécrétions chimiques.

Les expériences précédentes nous montent qu’en présence de lumière, les végétaux chlorophylliens produisent de matières organiques (amidon) et dégagent de l’oxygène : c’est la photosynthèse.

Elle désigne en écologie la production de matière organique végétale (biomasse), issue de la photosynthèse, par des organismes autotrophes, dits producteurs primaires.

A partir de matières premières $($eau, sels minéraux, et $CO_{2})$ les plantes vertes effectuent la synthèse de matières organiques (protide, lipides et glucides).cette synthèse se déroule qu’en présence de lumière d’où le nom photosynthèse. Elle se déroule en deux phases.

$-\ $ La photo conversion  qui correspond à  la transformation de  lumineuse en énergie chimique.

$-\ $ L’assimilation du $CO_{2}$ pendant laquelle le $CO_{2}$ de l’air est transformé en matières organiques

$-\ $ L’équation générale est : $CO_{2}+H_{2}O\ \rightarrow\ \text{Matière organiques}+O_{2}$

Elle exprime la vitesse de fabrication de matières organiques. Elle correspond à la quantité de matières organiques produites par unité de surface et par unité de temps. Elle est expriméeen $Kg/m^{2}$ ou en  $T/Ha$

Elle consiste à renverser dans deux endroits identiques du même biotope deux récipients dont l’un opaque et l’autre transparent. Dans l’opaque la quantité de $CO_{2}$ rejeté correspond à la respiration. Dans le transparent, la quantité de $CO_{2}$ disparu correspond à l’ensemble photosynthèse respiration. En additionnant les deux on obtient la productivité des végétaux considérés.

Elle consiste à prélever à intervalle régulier la totalité des plantes vertes (branches, feuilles et racines). La récolte est déshydratée et séchée puis pesée.

Chez les végétaux chlorophylliens, on distingue deux types de production :

$-\ $ La productivité primaire brute $(PPB)$ qui correspond à la quantité totale de matière produite par les végétaux chlorophylliens pendant la photosynthèse.

$-\ $ La productivité primaire nette $(PPN)$ correspondant à la quantité de matière disponible  pour les consommateurs primaires. $P_{a}PPN$ est donc égale à la production primaire brute diminuée de la quantité de matière utilisée pour la respiration.

La production primaire d’une plante ou d’un écosystème peut être influencée par plusieurs facteurs. Certains sont intimement liés aux végétaux alors que d’autres dépendent des facteurs du milieu.

La feuille est le siège de la production primaire. Cette dernière est intimement liée à la surface foliaire des végétaux. C’est pourquoi tout facteur qui entraine l’altération des feuilles provoque une baisse de la production.

Elle  intervient directement dans la production. En effet les expériences ont montré que dans les conditions optimales de température et d’approvisionnement en eau, en $CO_{2}$ et en sels minéraux, la productivité des végétaux dépend fortement de la quantité de lumière disponible. En outre en absence de lumière la production primaire est nulle.

Elle est indispensable à la production de matière. Avec une quantité d’eau insuffisante, la production est limitée tant dans les agro-écosystèmes que dans les écosystèmes naturels.

La production primaire des plantes dépend du taux de $CO_{2}$ atmosphérique. En absence de$ CO_{2}$, la production est nulle. Par contre si on enrichit l’environnement des plantes en $CO_{2}$, elles produisent davantage. Le $CO_{2}$ est donc un facteur qui influence la production des végétaux

Ils constituent les aliments des végétaux. Certains sont nécessaires en quantité importante, ce sont les macroéléments tels que le phosphore $(P)$ le potassium $(K)$ l’azote $(n)$.

Par contre d’autres sont indispensables mais  à faible dose. Ce sont les oligoéléments comme le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre...
L’absence ou le déficit de l’un de ces éléments provoque une diminution de la production

À la base du réseau trophique se trouvent les producteurs primaires qui constituent la biomasse végétale, c'est-à-dire la masse de tous les individus présents à un instant ; les végétaux verts via la photosynthèse convertissent l’énergie solaire pour produire des molécules organiques à partir de matières minérales puisées dans le sol d’une part (eau et sels minéraux) et dans l’atmosphère d’autre part (dioxyde de carbone). Cette matière végétale est consommée par les phytophages ou herbivores, eux-mêmes consommés par les zoophages ou carnivores. Herbivores et carnivores se nourrissent de matière organique pour fabriquer leur propre matière vivante. Enfin, les décomposeurs se nourrissent des restes des êtres vivants et transforment la matière organique en matière minérale alors réutilisable par les producteurs primaires

Une pyramide des biomasses est une représentation conventionnelle. Chaque niveau trophique est représenté par un rectangle horizontal (un étage de la pyramide) dont l’aire est proportionnelle à la biomasse.  Les différents rectangles obtenus sont superposés selon un axe de symétrie en respectant l’ordre de succession des niveaux trophiques. On termine en légendant la figure obtenue.

Cette chaine alimentaire marine simplifiée montre $90 \%$ de perte de masse à chaque transformation de matière et donc seulement $10%$ de production à chaque niveau. La biomasse produite à chaque niveau diminue fortement d’un maillon au suivant pour deux raisons :

$-\ $ Les hétérotrophes ne digèrent qu’une partie de leurs  aliments ; les excréments contiennent donc pas mal d’énergie non utilisée ;

$-\ $ Les hétérotrophes n’utilisent qu’une partie de leur aliments digérés pour fabriquer leur propre organisme ; le reste surtout les sucres  et les graisses, est utilisé pour fabriquer l’énergie nécessaire à la vie (chaleur corporelle, mouvements, épuration du sang…).

Les écosystèmes ne sont pas statiques, ils peuvent se transformer au cours du temps par :

$-\ $ l’influence de processus écologiques nommés successions écologiques, entraînant leur évolution lente vers un autre type d’écosystème,

$-\ $ l’influence de perturbations sporadiques et brusques.

Une succession est dite primaire quand la dynamique se développe à partir d'espaces dénudés. Le plus souvent elle est secondaire correspondant à la reconstitution de la végétation après destruction totale ou partielle d'une communauté végétale préexistante ou après levée de blocage (arrêt du pâturage par exemple). Dans ces deux cas, la dynamique est progressive.

On parle de succession régressive lorsque la végétation retourne à une phase ou un stade de moindre maturation, soit brusquement, cas le plus fréquent après une perturbation, soit lentement (par action du pâturage en forêt conduisant à une forêt claire et finalement à une pelouse, par l'effet d'une surpopulation de grands mammifères (Ongulés), ou tout simplement par une gestion forestière dégradante).

Une succession écologique est un processus d’évolution libre d’un milieu naturel au cours du temps.
Cela consiste en une série d’étapes devant se succéder dans un ordre adéquat : différentes communautés végétales et animales, sols, etc... se remplacent.

$\bullet\ $  la première communauté à s’installer sur un sol nu est dite pionnière

$\bullet\ $ les communautés subséquentes sont les séries

$\bullet\ $ la communauté finale est un état d’équilibre stable atteint par le complexe climat-sol-flore-faune en un lieu donné.

Cet état d’équilibre est appelé climax.

$\text{Terrain nu}=>\text{végétation pionnière}=>\text{prairie}=>\text{arbustes}=>\text{forêt}$

Une gestion d’un milieu naturel doit tenir compte de ces mécanismes spontanés d’évolution des écosystèmes.
Le maintien de stades pionniers (pelouses, prairies, plages de graviers, ...) ou intermédiaires implique de conserver le jeu fréquent de perturbations « rajeunissantes ». Si ce type de milieu n’est pas entretenu, par fauche et débroussaillage, les pelouses sont colonisées par les arbustes et certaines graminées. Elles vont alors évoluer vers un boisement.