Les écosystèmes : des interactions dynamiques entre les êtres vivants et entre eux et leur milieuCours

Un écosystème naturel présente une grande biodiversité. Les interactions entre les êtres vivants formant la biocénose et l'ensemble des êtres vivants formant le biotope sont nombreuses et variées. Un écosystème est le siège de très nombreux échanges de matière et d'énergie, participant aux grands cycles biogéochimiques à la surface de la Terre. Un écosystème est un ensemble en équilibre dynamique, susceptible d'être perturbé par des facteurs internes ou externes, mais doté d'une grande capacité de résilience.

I

La diversité des interactions dans un écosystème

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Les caractéristiques d'un écosystème

Un écosystème est formé par l'association d'un biotope (milieu de vie) et d'une biocénose (ensemble d'êtres vivants). Le biotope est caractérisé par des conditions physico-chimiques (température, luminosité, humidité). La biocénose est caractérisée par la diversité des espèces vivant dans un même milieu. 

Écosystème

Un écosystème est un ensemble formé par les conditions d'un milieu et les êtres vivants qui l'habitent.

Biotope

Le biotope est l'ensemble des conditions physico-chimiques d'un milieu (température, luminosité, humidité, pH, etc.).

Biocénose

La biocénose désigne l'ensemble des êtres vivants (végétaux, animaux, champignons, microorganismes) qui occupent un milieu de vie donné.

Au sein d'une même espèce, on observe également une grande diversité génétique des individus.

diversité interactions écosystème
B

Les interactions au cœur d'un écosystème

Les êtres vivants (la biocénose) établissent des relations avec leur milieu de vie (le biotope) afin de pouvoir s'y établir. Ils établissent également des relations entre eux qui sont souvent des relations alimentaires. 

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Des interactions entre biotope et biocénose

Les êtres vivants établissent aussi des relations avec leur milieu de vie (le biotope). En effet, les êtres vivants ne sont pas répartis au hasard. Leur répartition dépend des conditions physico-chimiques du milieu appelées aussi conditions abiotiques.

La répartition des êtres vivants dépend des conditions physico-chimiques du milieu et des besoins des êtres vivants. 

Dans l'écosystème forêt, sur un arbre, la mousse se développe davantage sur la partie du tronc exposée au nord, car elle a besoin d'humidité. Sur cette photo, on voit que la mousse ne s'est développée que d'un côté du tronc, le côté nord.

interactions entre biotope et biocénose

© istockphoto

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Des interactions au sein de la biocénose

Dans un écosystème, les êtres vivants établissent des relations entre eux. Ce sont des interactions interspécifiques (entre espèces différentes). Ces relations sont de différentes natures en fonction des effets qu'elles procurent. Il y a des relations de compétition (pour la lumière, l'eau, les nutriments), d'exploitation (prédation, parasitisme) ou encore de coopération (mutualisme, symbiose).

Interactions interspécifiques

Les interactions interspécifiques sont les relations qui existent entre êtres vivants d'espèces différentes. Elles peuvent être bénéfiques pour les deux espèces (commensalisme, symbiose) ou négatives pour l'une d'elle (parasitisme, prédation).

Dans une relation de compétition, les individus sont en concurrence pour accéder à des ressources telles que l'eau, la lumière ou les nutriments.

Dans une forêt, le hêtre et le chêne sont en concurrence pour l'accès à la lumière. Bien souvent, le hêtre, qui a une croissance plus rapide, empêche la croissance du chêne en le privant de lumière.

Dans une relation d'exploitation, un organisme exploite un autre organisme afin d'en tirer son alimentation, une protection, etc. La prédation ou le parasitisme sont des relations d'exploitation : l'un des deux individus (le prédateur ou le parasite) tire un bénéfice de la relation.

interactions au sein biocénose parasitisme prédation
© Wikimedia Commons

Dans une relation de coopération, les organismes impliqués trouvent un bénéfice. On parle également de mutualisme : les partenaires se rendent des services mutuels.

Dans la symbiose entre l'algue et le champignon d'un lichen, l'algue fournit au champignon de la nourriture, tandis que le champignon permet à l'algue, par la fabrication de pariétines, molécules la protégeant de la déshydratation, de vivre en dehors du milieu aquatique.

La majorité des relations sont alimentaires.

II

Les flux dans un écosystème et les cycles géochimiques

Un réseau trophique est un ensemble de chaînes alimentaires établies entre les êtres vivants d'un écosystème et par lesquelles l'énergie et la matière circulent. Les réseaux trophiques permettent des flux de matière et d'énergie entre les êtres vivants, mais aussi entre les êtres vivants et leur milieu de vie. Ainsi, les éléments minéraux tels que l'eau, le carbone et l'azote entrent, circulent et sortent en permanence de l'écosystème et forment des cycles géochimiques.

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Les flux de matière et d'énergie au sein d'un écosystème

La matière (eau, carbone, oxygène, azote) et l'énergie entrent dans les réseaux trophiques grâce à différents mécanismes réalisés par les êtres vivants (absorption racinaire, photosynthèse, respiration). Les réseaux trophiques permettent la circulation de matière et d'énergie le long des chaînes alimentaires. La respiration des êtres vivants ou encore le recyclage de la matière par les décomposeurs du sol permettent le retour de matière et d'énergie dans le biotope. La mesure de la biomasse permet de quantifier les flux de matière.

flux matière énergie au sein écosystème

Dans une chaîne alimentaire, le sens des flèches signifie « est mangé par… ».

On observe des flux de matière minérale : 

  • L'eau présente dans le sol est absorbée par les racines de l'arbre. Elle circule à l'intérieur de l'arbre où elle sera utilisée. Une partie de cette eau est rejetée par évapotranspiration au niveau des feuilles.
  • Le dioxyde de carbone de l'air est absorbé par les feuilles. Il permet la fabrication de matière organique par photosynthèse au niveau des feuilles, grâce à l'énergie solaire. Du dioxyde de carbone est rejeté dans l'air par la respiration des animaux, mais aussi des végétaux.

Matière organique

La matière organique est la matière fabriquée par les êtres vivants. Elle compose leurs tissus et leurs organes.

Photosynthèse

La photosynthèse est un ensemble de transformations biochimiques qui permet aux cellules de produire leur propre matière organique à partir de matière minérale et d'énergie lumineuse.

On observe également un flux de matière organique. La photosynthèse réalisée au niveau des feuilles produit de la matière organique. Les végétaux verts sont appelés producteurs primaires. Ils sont le premier maillon des chaînes alimentaires. Cette matière (par exemple une feuille, un fruit) est mangée par des consommateurs. Elle circule donc au sein des chaînes alimentaires. Lors de la mort des organismes, cette matière organique est décomposée dans le sol et devient de la matière minérale.

Il existe également des flux d'énergie. L'énergie solaire est nécessaire à la fabrication de matière organique. Cette matière organique sera nécessaire aux êtres vivants pour produire de l'énergie lors de la respiration. Cette énergie sera en partie dissipée sous forme de chaleur et une autre partie servira au fonctionnement de l'organisme. L'énergie circule donc également par l'intermédiaire de la matière organique dans les écosystèmes.

La matière organique constituant les organismes forme la biomasse. 

Au sein d'un écosystème, la quantité de biomasse diminue le long des réseaux trophiques. Il y a beaucoup plus de producteurs primaires que de consommateurs primaires, eux-mêmes plus nombreux que les consommateurs secondaires, etc. Cela permet de conserver un équilibre dans les populations des écosystèmes.

matières organiques biomasse
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L'effet des écosystèmes dans les cycles biogéochimiques

Les flux de matière et d'énergie se produisant au sein des écosystèmes définissent et participent à des cycles biogéochimiques (cycle de l'eau, cycle du carbone, etc.). L'effet d'un écosystème sur ces cycles peut se mesurer par des bilans d'entrée et de sortie de matière.

Cycle biogéochimique

Un cycle biogéochimique est le processus de transport et de transformation cyclique d'un élément ou composé chimique entre les grands réservoirs que sont la géosphère (les roches du sous-sol), l'atmosphère, l'hydrosphère (eau), dans lesquels se retrouve la biosphère.

effet écosystèmes cycles biogéochimiques

Bilan des entrées et des sorties de carbone dans l'écosystème forestier (source des chiffres : ONF) :

  • Entrée du carbone dans l'écosystème forestier : Le dioxyde de carbone entre lors de la photosynthèse réalisée par les végétaux verts. 
  • Circulation du carbone dans l'écosystème : Le carbone fabriqué par les végétaux chlorophylliens est absorbé par les animaux le long des chaînes alimentaires. De plus, lorsque les êtres vivants meurent, la matière organique (composée de carbone) se dépose dans le sol où elle sera décomposée par les êtres vivants vivant dans le sol (les décomposeurs).  
  • Sorties : Le dioxyde de carbone produit par la respiration des êtres vivants ou lors des processus de décomposition retourne dans l'atmosphère. 

 

Les écosystèmes forestiers permettent de recycler le carbone. Ils jouent donc un rôle important dans le cycle mondial du carbone. Dans le cas d'une forêt à l'équilibre, ces flux d'entrée et de sortie se neutralisent à peu près.

Les organismes décomposeurs ont un rôle fondamental à jouer dans les cycles biogéochimiques puisqu'ils permettent de remettre en circulation une partie de la matière des organismes morts. Cette décomposition assure le recyclage de cette matière organique et la mise à disposition de nouveaux éléments pour les êtres vivants.

Les écosystèmes échangent en permanence, à leurs frontières, avec leur environnement proche. Ces échanges, ajoutés aux échanges se produisant au sein même des écosystèmes, participent à des cycles biogéochimiques.

écosystèmes échanges permanents environnement proche
III

La dynamique des écosystèmes

Au sein des écosystèmes, il se produit des changements permanents dus aux interactions entre êtres vivants (certains meurent, d'autres naissent). L'équilibre entre les différentes espèces est établi par des interactions constantes. Cet équilibre peut subir des perturbations. Selon leur importance, l'équilibre sera ou non rétabli.

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Les équilibres dynamiques

Un écosystème est un ensemble en équilibre dynamique. Malgré les changements qu'un écosystème subit, sa biomasse reste sensiblement la même au cours du temps. C'est ce que l'on appelle un équilibre dynamique.

Équilibre dynamique

Malgré les changements qu'il subit, la variable écologique d'un écosystème reste sensiblement la même au cours du temps. C'est l'équilibre dynamique.

Biomasse

La biomasse d'un écosystème correspond à la masse des êtres vivants présents dans cet écosystème.

équilibres dynamiques écosystèmes
  • Dans un équilibre statique, on n'observe pas de variations.
  • Dans un équilibre dynamique, des variations se produisent au cours du temps, mais dans l'ensemble la variable écologique reste stable, c'est le cas des écosystèmes.

Dans l'écosystème forestier, la biomasse varie. Des arbres meurent, d'autres grandissent ou naissent. Il en va de même pour les autres êtres vivants. Ainsi, au cours du temps, malgré les variations, la biomasse reste stable.

Parmi les changements pouvant affecter un écosystème, on peut évoquer les saisons. Comme les conditions ou facteurs abiotiques (conditions/facteurs physico-chimiques) changent, la biocénose varie également. 

Facteurs abiotiques

Les facteurs abiotiques (abiotiques = sans vie) représentent l'ensemble des conditions physico-chimiques (luminosité, température, humidité, etc.) d'un écosystème.

De même, la mort de certains arbres et la croissance d'autres arbres vont modifier la luminosité donc le peuplement du milieu, et par conséquent les interactions entre êtres vivants.

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Les perturbations et la résilience

Une perturbation est une modification brutale. L'équilibre d'un écosystème, même lorsqu'il est naturellement perturbé, peut se reconstituer. C'est le cas après des perturbations telles qu'un incendie ou la survenue d'une maladie. Cette capacité à se régénérer est nommée la résilience.

Résilience

La résilience est la capacité à revenir à l'état initial après une perturbation.

écosystème perturbations résilience

Dans le graphique A, après la perturbation, la variable écologique revient à son état initial : c'est la résilience.

Dans le graphique B, après la perturbation, il n'y a pas de retour à l'équilibre initial, la perturbation a été trop importante. Un nouvel équilibre s'installe.

Après un incendie de forêt, les végétaux vont peu à peu recoloniser le territoire ; certaines graines ne germent d'ailleurs que lorsqu'elles ont été soumises au feu : c'est le cas des séquoias ou de certaines orchidées. La nourriture étant à nouveau disponible, ce sont les animaux qui réinvestissent ensuite l'environnement détruit, et de nouveaux équilibres se mettent en place. La forêt revient à son état initial : c'est la résilience.

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© Wikimedia Commons

Après un incendie, on voit sur cette succession d'images que la forêt est revenue à son état initial : c'est la résilience.

C'est la complexité des réseaux d'interactions existant dans les écosystèmes qui permet la résilience. Plus le réseau est complexe, plus le retour à l'état initial est rapide.