Écosystèmes : flux de matière et d'énergie — Exercices

Identification des niveaux trophiques, calculs de rendement, pyramide des biomasses et problème d'alimentation mondiale. Corrigé en fin de fiche.

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1Identifier les acteurs d'un écosystème/ 3 pts

Voici des organismes d'un écosystème forestier : chêne, chenille, mésange bleue, renard, bactérie du sol.

Classe chacun dans la catégorie : producteur primaire, consommateur primaire, consommateur secondaire, consommateur tertiaire ou décomposeur.
Construis une chaîne alimentaire à quatre niveaux à partir de ces organismes (utilise des flèches).
Explique, en une phrase, le rôle des bactéries du sol dans les flux de matière de cet écosystème.

2Calculer des rendements énergétiques/ 4 pts

Dans un écosystème marin, les transferts d'énergie (en kJ/m²/an) sont : Phytoplancton (producteurs) : 80 000 ; Zooplancton (consommateurs primaires) : 8 000 ; Poissons herbivores (consommateurs secondaires) : 640.

Calcule le rendement énergétique $R_1$ entre le phytoplancton et le zooplancton.
Calcule le rendement énergétique $R_2$ entre le zooplancton et les poissons herbivores.
Que remarques-tu ? Que deviennent les 90 % d'énergie « perdus » à chaque niveau ?

3Analyser une pyramide des biomasses/ 3 pts

Une pyramide des biomasses (en g MS/m²) d'une prairie donne : Végétaux : 500 ; Herbivores : 50 ; Carnivores 1 : 5 ; Carnivores 2 : 0,5.

Calcule le rendement de production entre chaque paire de niveaux trophiques consécutifs.
Représente schématiquement cette pyramide (proportionnelle) en légendant chaque niveau.
Explique pourquoi la biomasse diminue à chaque niveau trophique.

4Problème : surface agricole et alimentation mondiale/ 5 pts

On estime le rendement énergétique entre niveaux trophiques à 10 %. Une personne consomme 2 500 kcal/jour. La production végétale d'une prairie est de 10 000 kcal/m²/an.

Calcule les besoins énergétiques annuels de cette personne (en kcal/an).
Si elle se nourrit exclusivement de bœuf (consommateur primaire), quelle quantité de végétaux (en kcal/an) faut-il produire pour couvrir ses besoins ?
Quelle surface de prairie est alors nécessaire (en m²) ?
Si elle se nourrit exclusivement de végétaux, quelle surface est nécessaire ?
Conclure sur l'intérêt d'un régime peu carné pour les enjeux d'alimentation mondiale.

Corrigé détaillé

1Identifier les acteurs d'un écosystème

a) Classification $\text{Chêne : producteur primaire.}\quad\text{Chenille : consommateur primaire.}\quad\text{Mésange bleue : consommateur secondaire.}\quad\text{Renard : consommateur tertiaire.}\quad\text{Bactérie du sol : décomposeur.}$ $\text{5 organismes correctement classés.}$

b) Chaîne alimentaire $\text{Chêne} \rightarrow \text{Chenille} \rightarrow \text{Mésange bleue} \rightarrow \text{Renard}$ $\text{La flèche représente le sens du transfert de matière et d'énergie (du mangé vers le mangeur).}$

c) Rôle des bactéries $\text{Les bactéries du sol dégradent la matière organique morte (feuilles, cadavres, excréments) en sels minéraux absorbables.}$ $\text{Elles ferment le cycle de la matière : les minéraux libérés sont réabsorbés par les producteurs primaires.}$

2Calculer des rendements énergétiques

a) Rendement R₁ $R_1 = \dfrac{8\,000}{80\,000} \times 100 =$ $10\,\%$

b) Rendement R₂ $R_2 = \dfrac{640}{8\,000} \times 100 =$ $8\,\%$

c) Interprétation $\text{Les deux rendements sont proches de }10\,\%.$ $\text{Les } \approx 90\,\% \text{ d'énergie « perdus » à chaque niveau sont dissipés sous forme de chaleur lors de la respiration cellulaire — ils ne peuvent pas être transmis au niveau suivant.}$

3Analyser une pyramide des biomasses

a) Végétaux → Herbivores $R_1 = \dfrac{50}{500} \times 100 =$ $10\,\%$

a) Herbivores → Carnivores 1 $R_2 = \dfrac{5}{50} \times 100 =$ $10\,\%$

a) Carnivores 1 → Carnivores 2 $R_3 = \dfrac{0{,}5}{5} \times 100 =$ $10\,\%$

b) Schéma $\text{Pyramide de bas en haut : Végétaux (500) — Herbivores (50) — Carnivores 1 (5) — Carnivores 2 (0{,}5).}$ $\text{Chaque rectangle est proportionnel à la biomasse ; chaque niveau est 10 fois plus étroit que le précédent.}$

c) Explication $\text{À chaque niveau, une grande partie de la biomasse ingérée est utilisée par la respiration cellulaire (production d'énergie thermique, mouvement, croissance) et non stockée dans les tissus.}$ $\text{Seule environ 10\,\% de la biomasse est incorporée dans le niveau trophique supérieur.}$

4Problème : surface agricole et alimentation mondiale

a) Besoins annuels $2\,500 \times 365 =$ $912\,500\text{ kcal/an}$

b) Végétaux nécessaires (régime carné) $\dfrac{912\,500}{0{,}10} =$ $9\,125\,000\text{ kcal/an}$

c) Surface prairie (régime carné) $\dfrac{9\,125\,000}{10\,000} =$ $912{,}5\text{ m}^2$

d) Surface prairie (régime végétal) $\dfrac{912\,500}{10\,000} =$ $91{,}25\text{ m}^2$

e) Conclusion $\dfrac{912{,}5}{91{,}25} = 10$ $\text{Un régime carné mobilise une surface 10 fois supérieure à un régime végétal. Réduire la consommation de viande diminue les surfaces agricoles nécessaires et les ressources énergétiques mobilisées — enjeu décisif pour nourrir plus de 8 milliards d'humains.}$