Écosystèmes : flux de matière et d'énergie

L'énergie solaire entre dans l'écosystème par la photosynthèse, se transfère de maillon en maillon et se dissipe ; la matière, elle, se recycle indéfiniment.

1 L'idée

Un écosystème est l'ensemble formé par une communauté d'êtres vivants (biocénose) et son milieu physico-chimique (biotope). Ces deux composantes échangent en permanence matière et énergie.

Selon leur mode de nutrition, les organismes sont répartis en niveaux trophiques :

Producteurs primaires (plantes, algues, cyanobactéries) : autotrophes, ils convertissent l'énergie lumineuse en matière organique par photosynthèse.
Consommateurs (herbivores, carnivores…) : hétérotrophes, ils ingèrent d'autres organismes.
Décomposeurs (bactéries, champignons) : ils dégradent la matière organique morte en sels minéraux réutilisables.

2 Les formules clés

Rendement énergétique

$R\,(\%) = \dfrac{E_{n+1}}{E_n} \times 100 \approx 10\,\%$

Production nette

$P_{\text{nette}} = P_{\text{brute}} - \text{pertes par respiration}$

3 Deux types de flux : énergie et matière

Flux d'énergie — sens unique : l'énergie lumineuse captée par les producteurs se transfère de niveau en niveau. À chaque transfert, la majeure partie est dissipée sous forme de chaleur par la respiration cellulaire. En moyenne, seuls 10 % environ de l'énergie d'un niveau sont stockés dans le niveau suivant. L'énergie dissipée est perdue définitivement pour l'écosystème.

Flux de matière — cyclique : les atomes (carbone, azote, phosphore…) sont réutilisés indéfiniment. Les décomposeurs minéralisent la matière organique morte en sels minéraux absorbables par les producteurs. La matière circule donc en cycles biogéochimiques.

4 Exemple : calcul de rendement dans une chaîne alimentaire

Données (prairie, kJ/m²/an)

Végétaux (producteurs) : $10\,000$ kJ/m²/an.

Herbivores : $1\,000$ kJ/m²/an.

Carnivores : $100$ kJ/m²/an.

Calculs

Rendement végétaux → herbivores : $R_1 = \dfrac{1\,000}{10\,000} \times 100 = 10\,\%$

Rendement herbivores → carnivores : $R_2 = \dfrac{100}{1\,000} \times 100 = 10\,\%$

Interprétation : produire $100$ kJ de viande nécessite $10\,000$ kJ de végétaux.

Méthode — exploiter une pyramide des biomasses

Identifier les niveaux trophiques : base = producteurs, sommet = grands prédateurs.
Lire la biomasse ou l'énergie à chaque niveau (unité : g MS/m² ou kJ/m²/an).
Calculer chaque rendement : $R = \dfrac{\text{niveau supérieur}}{\text{niveau inférieur}} \times 100$.
Conclure : la pyramide se rétrécit vers le haut, signe d'une énergie de plus en plus faible disponible.

Erreurs fréquentes

Croire que l'énergie est recyclée comme la matière : non, elle se dissipe définitivement en chaleur — les flux d'énergie et de matière sont de nature différente.
Exclure les décomposeurs du réseau trophique : ils en font pleinement partie et ferment le cycle de la matière.
Appliquer le rendement de 10 % comme une loi exacte : c'est une valeur approchée, réellement variable entre 5 % et 20 % selon les écosystèmes.
Confondre production brute et production nette : la production nette est toujours inférieure, car une fraction est consommée par la respiration de l'organisme lui-même.