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

Notions fondamentales : écosystème, interactions, biodiversité, relations interspécifiques, équilibre dynamique, services écosystémiques.

A. Décrire un écosystème – livre p206-207

Les écosystèmes sont constitués par des communautés d’êtres vivants (biocénose) interagissant au sein de leur milieu de vie (biotope). La biocénose est en interaction avec le biotope (répartition des espèces selon les conditions abiotiques).

Par exemple, dans l’écosystème forêt (vidéo 28′), la biocénose est composée des chênes, épicéas, fougères, autour, renard, scolyte… Le biotope (milieu humide, ombragé, abrité du vent…) est fortement influencé par la biocénose : ce sont les arbres qui retiennent l’humidité, créent de l’ombre, freinent le vent. En retour, le biotope agit sur la répartition des espèces : le chêne aime la lumière et le sec, l’épicéa aime l’ombre et l’humidité.

• présentation de l’écosystème mare (18′)
• présentation de l’écosystème estran (=littoral, 7′)
• présentation de l’écosystème mangrove (17′)
• présentation de l’écosystème estuaire (14′)
• présentation de l’écosystème herbier de Posidonies (1′)

B. Les interactions des êtres vivants – livre p208-209

La diversité des interactions biotiques (relations interspécifiques et/ou intraspécifiques) s’étudie à la lueur de leur effet sur la valeur sélective des partenaires :

• La compétition (pour la lumière, pour l’eau, les nutriments, etc.) est négative pour la valeur sélective des deux partenaires. Les deux partenaires sont désavantagés par rapport à s’ils étaient seuls.

TP Modéliser la dynamique d’un écosystème non perturbé

Vidéo de Francis Hallé « Comment les plantes grandissent-elles ? » abordant la compétition entre végétaux.

Dans un écosystème, les niches écologiques permettent aux espèces de limiter leur compétition interspécifique.

L’espèce A recherche un facteur écologique 1 bas (exemple = aime le froid) tandis que l’espèce 2 recherche un facteur écologique 1 élevé (exemple = aime la chaleur). Pour le facteur écologique 2 (exemple = l’humidité du sol), l’espèce A recherche un sol humide et B un sol plus sec. La niche de l’espèce A est donc fraîche et humide (exemple = le hêtre) tandis que la niche de l’espèce B est chaude et sèche (exemple = le chêne). Lorsque ces deux espèces sont en compétition dans le même écosystème, elles vont décaler leurs niches pour minimiser la concurrence.

Vidéo sur l’impact de la Moule Zébrée en Amérique du Nord

• L’exploitation (prédation, parasitisme) est positive pour un partenaire et négative pour la valeur sélective de l’autre. La prédation est très négative pour la proie (qui ne peut plus se reproduire du tout). Le parasitisme est négatif pour l’organisme parasité, qui est affaibli par son parasite donc moins compétitif.

L’équilibre prédateurs/proies des loups du Yellowstone résume la cascade d’interactions réapparues avec le retour du loup.

Exemple : un arbre couvert de gui voit une grande partie de sa sève exploitée par le gui, son parasite. A terme, cet arbre pourrait produire moins de fruits : sa valeur sélective diminue puisqu’il se reproduit moins.

Vidéo de Francis Hallé « Le parasitisme« .

• La coopération (mutualisme, dont symbiose telle que la mycorhize p209) est positive pour la valeur sélective des deux partenaires. Les deux partenaires sont avantagés par rapport à s’ils étaient seuls.

Les relations de coopération peuvent avoir différentes modalités :

1. symbiose = relation permanente et obligatoire. Les deux organismes sont toujours associés, et ne peuvent pas se passer l’un de l’autre. Ex : lichen (symbiose algue unicellulaire+champignon Ascomycète), corail (symbiose algue unicellulaire+polype de Cnidaire), mycorhize (végétal supérieur+champignon)

2. mutualisme = relation temporaire et obligatoire. Les deux organismes ont besoin l’un de l’autre à un moment de leur vie, mais vivent chacun de leur côté. Ex : fleur/pollinisateur, poisson clown/anémone de mer,

3. commensalisme = relation temporaire et facultative. Les deux organismes profitent l’un de l’autre de façon occasionnelle. Ex : labre nettoyeur, héron garde-bœufs, etc…

En fait, tout cela est un peu plus compliqué, comme l’explique M. A. Selosse dans cet article de Pour la Science d’octobre 2021 « Comment les parasites sculptent les paysages végétaux »

exercice 5p217 Sardines du Golfe de Guinée

6p217 interaction bactéries/plantes

7p218 Requins de Fakarava

C. Les flux de matière – livre p210-211

Ces interactions structurent l’organisation (biodiversité de l’écosystème), l’évolution (dynamique des populations) et le fonctionnement de l’écosystème (production, flux de matière et réservoirs, recyclage de la matière organique, etc.).

Présentation des écosystèmes humides : vidéo « Zones Humides : des espaces naturels à préserver » (4’40 » par le SyAGE)

Les êtres vivants génèrent ou facilitent des flux de matière (eau, carbone, azote, etc.) qui entrent (absorption racinaire, photosynthèse, respiration), circulent (réseau trophique) et sortent (évapotranspiration, érosion) de l’écosystème.

Le cycle de l’eau est fortement modifié par la végétation, en particulier la forêt : les arbres pompent l’eau par leurs racines (+mycorhizes) jusqu’à des profondeurs importantes, et leur évapotranspiration libère cette eau dans l’atmosphère. Un cycle local de l’eau se met en place, court-circuitant le cycle classique. Il est tellement important que la destruction des forêts modifie le régime local des pluies, en aboutissant à des sécheresses.

Par ailleurs, le sol forestier épais et aéré est une énorme éponge qui stocke l’eau des pluies : celle-ci ruisselle peu en surface, et s’écoule moins vite vers les cours d’eau. La forêt limite donc considérablement l’érosion des sols, donc les transferts de matières solides vers les cours d’eau et vers la mer.

Le cycle du carbone est fortement modifié par la végétation, en particulier la forêt : les arbres pompent le CO₂ par leurs feuilles et le stockent dans leurs troncs, leurs racines, puis la litière du sol, jusqu’à des profondeurs importantes. Le relargage de ce CO₂ dans l’atmosphère est régulé par la respiration des êtres vivants, qu’il s’agisse des végétaux eux-mêmes, des animaux et des micro-organismes. Ce stockage est tellement important que la destruction des forêts est une importante source de GES. Le réseau trophique génère un flux de carbone des producteurs primaires vers les producteurs secondaires.

Le cycle de l’azote est fortement modifié par la végétation, en particulier la forêt : les arbres pompent l’azote par leurs racines (+mycorhizes) jusqu’à des profondeurs importantes, le stockent dans leurs tissus, et le libèrent en surface du sol (à la chute des feuilles, par exemple). Cela a pour effet de brasser l’azote qui redevient ainsi disponible au ras du sol. Par ailleurs, des poissons migrateurs qui grossissent en mer et remontent vers l’amont des rivières pour frayer, puis mourir, captent de l’azote en milieu marin et le ramènent vers l’amont, le rendant disponible pour les écosystèmes terrestres. Enfin, des micro-organismes spécialisés (bactéries, Frankia) convertissent le N₂ atmosphérique (considéré comme inépuisable) en azote assimilable dans les réseaux trophiques (dénitrification).

Une partie de la matière est recyclée, notamment grâce au sol. L’effet des écosystèmes dans les cycles géochimiques ainsi constitués, se mesure par des bilans d’entrée/sortie de matière.

 

D. La dynamique des écosystèmes – livre p212-213

TP Modéliser la dynamique et la résilience de la forêt

Colonisation d’un éboulis vierge : Cette série progressive reconstitue une forêt climacique en quelques décennies, après une perturbation majeure (éboulis de roches nues).

La colonisation d’une coulée de lave montre une dynamique comparable.

Évolution de la végétation dans un marais en voie d’assèchement : Un milieu aquatique ne reste pas indéfiniment aquatique : l’accumulation de matière organique aboutit à son atterrissement, c’est-à-dire sa transformation en milieu de plus en plus terrestre et sec, en l’absence de nouvelle perturbation.

Dans un écosystème humide en libre évolution, le “rajeunissement” se fait par pâturage et surtout lors de crues qui éliminent les stades 3, 4 et 5, et ramènent l’écosystème aux stades 1, 2. Dans les zones humides protégées d’Europe, c’est principalement l’Homme qui maintient les zones humides aux stades 1, 2, 3. La Lobau près de Vienne présente tous ces stades, plus ou moins fixés car le Danube n’a plus de crues importantes.

Même sans l’action de l’Homme, les écosystèmes montrent une dynamique spatio-temporelle avec des perturbations (crues, incendies, maladies, pâturage par les grands herbivores, coulées de lave) affectant les populations. Ces perturbations sont des événements naturels indispensables pour ramener les écosystèmes à leur stade pionnier. En les combattant (généralement pour assurer sa sécurité), l’Homme entrave la dynamique naturelle des écosystèmes.

• Lire l’article « Des cendres à la vie » (Courrier de la Nature 2018) sur la dynamique de repeuplement naturel après un incendie dans les Alpes ;
• Lire le chapitre Retour à la forêt primaire extrait de « La vie secrète des arbres » de P. Wohlleben sur la dynamique forestière après abandon d’un forêt d’épicéas et ravage par les scolytes (vidéo de la forêt de l’Argonne)
• Une présentation plus courte d’une forêt en libre évolution, par l’Association F. Hallé pour une forêt primaire en Europe

La complexité du réseau d’interactions et la diversité fonctionnelle favorisent la résilience des écosystèmes, qui -jusqu’à un certain seuil de perturbation- est la capacité de retrouver un état initial après perturbation (voir ici à Yellowstone). Au plus un écosystème est riche en biodiversité, au plus il a de chances de contenir un agent qui sera capable de contrer cette perturbation. Par exemple, une invasion de ravageurs détruira massivement une plantation monospécifique d’épicéas ; à l’inverse, dans une forêt mixte feuillus/résineux, les ravageurs ne se propageront presque pas.

Un écosystème se caractérise donc par un équilibre dynamique susceptible d’être bousculé par des facteurs internes et externes.

• facteurs internes : de nouvelles espèces de plus en plus forestières s’installent lors de la succession écologique, donc l’équilibre se déplace d’un milieu ouvert (type prairie ou marais) vers un milieu fermé (type forêt de broussailles, puis forêt de plus en plus haute et riche).
• Cependant, la présence de grands herbivores faisant partie de la biocénose normale maintient les milieux ouverts (donc ralentissent la fermeture du milieu) en broutant les jeunes arbres.

• facteurs externes : des maladies ou des ravageurs, des événements climatiques (tempêtes, crues, incendies), des catastrophes (éboulements) vont ramener l’écosystème à un stade pionnier (bien expliqué dans 20 000 ans ou la grande histoire de la nature  de Stéphane Durand). Des espèces invasives (telles que les rats dans les îles du Pacifique, les ragondins dans un marais, les plantes invasives à la Réunion) vont mener à un dysclimax.

exercice 8p218 Incendies et chênes liège

• Idée de lecture : 20 000 ans ou la grande histoire de la nature (empruntable au CDI) de Stéphane Durand (à écouter ici)
• Article France Info 16/12/2022 « COP15 biodiversité : au Québec, le caribou forestier tué à petit feu par l’industrie du bois« 
• Révise avec l’activité en ligne

Les écosystèmes sont constitués par des communautés d’êtres vivants (biocénose) interagissant au sein de leur milieu de vie (biotope). La biocénose est en interaction avec le biotope (répartition des espèces selon les conditions abiotiques).

La diversité des interactions biotiques s’étudie à la lueur de leur effet sur la valeur sélective des partenaires : compétition (pour la lumière, pour l’eau, les nutriments,etc.), exploitation (prédation, parasitisme) et coopération (mutualisme, dont symbiose). Ces interactions structurent l’organisation (biodiversité de l’écosystème), l’évolution (dynamique des populations) et le fonctionnement de l’écosystème (production, flux de matière et réservoirs, recyclage de la matière organique, etc.). En particulier, les êtres vivants génèrent ou facilitent des flux de matière (eau, carbone, azote, etc.) qui entrent (absorption racinaire, photosynthèse, respiration), circulent (réseau trophique) et sortent (évapotranspiration, érosion) de l’écosystème. Une partie de la matière est recyclée, notamment grâce au sol. L’effet des écosystèmes dans les cycles géochimiques ainsi constitués, se mesure par des bilans d’entrée/sortie de matière.

Même sans l’action de l’Homme, les écosystèmes montrent une dynamique spatio-temporelle avec des perturbations (incendies, maladies) affectant les populations. La complexité du réseau d’interactions et la diversité fonctionnelle favorisent la résilience des écosystèmes, qui jusqu’à un certain seuil de perturbation, est la capacité de retrouver un état initial après perturbation. Un écosystème se caractérise donc par un équilibre dynamique susceptible d’être bousculé par des facteurs internes et externes.