Chapitre 1 -Le flux énergétique et les cycles de la matière Objectifs

Question 1

Qu’est-ce que l’énergie solaire? Expliquez comment elle conditionne la vie et les climats.

Answer 1

L’énergie solaire est un ensemble de radiations de diverses longueurs d’onde qui parviennent à la
surface de la terre. Une grande partie de cette énergie est réfléchie ou absorbée par les nuages, la
poussière, la vapeur d’eau ou le gaz carbonique.

Une partie de l’énergie solaire qui parvient au sol est captée par les plantes qui la transforment
en énergie biochimique. Celle-ci circulera dans la chaîne alimentaire, passant des producteurs aux
consommateurs. Sans cette énergie, les écosystèmes cesseraient de fonctionner, car les chaînes alimentaires
seraient coupées à la base.

L’énergie solaire affecte également l’environnement physique des écosystèmes. C’est le transfert
d’énergie dans l’environnement physique qui crée les situations météorologiques. De plus, le cycle
de l’eau ne pourrait exister sans l’évaporation et les précipitations, or ce système fonctionne grâce à
l’énergie solaire.

Question 2

Nommez et décrivez les deux lois de la thermodynamique.

Answer 2

La première loi est appelée loi de la conservation de l’énergie et stipule que l’énergie peut se transformer
d’une forme à une autre mais ne peut ni se créer ni se détruire. L’énergie totale de l’univers demeure donc constante. Ce premier principe nous rappelle que nous ne pouvons pas créer de nouvelles sources d’énergie mais plutôt transformer celles qui existent ( figure 1.2).
Les plantes, par exemple, captent l’énergie sous forme lumineuse et la transforme en tissus, c’est-à-dire en énergie biochimique. En contrepartie, l’énergie n’est pas détruite. L’essence de l’automobile est transformée en chaleur et en énergie mécanique. Cette énergie mécanique qui permet le déplacement de la voiture se transforme également, par friction, en chaleur et se dissipe. Au total, la chaleur produite par l’automobile est égale à la quantité d’énergie qui était contenue dans l’essence

La deuxième loi de la thermodynamique est appelée loi de la dégradation de l’énergie et stipule que tout phénomène impliquant une transformation de l’énergie ne peut se produire sans dégradation de l’énergie, d’une forme concentrée en une forme diluée. En conséquence, aucune transformation énergétique ne peut être efficace à 100 % à cause, entre autres, des pertes en chaleur. Par exemple, l’énergie mécanique, chimique ou électrique peut se transformer intégralement en chaleur. Mais la transformation inverse (de chaleur en travail mécanique, par exemple) ne peut se faire intégralement sans apport extérieur et sans perte obligatoire d’énergie sous forme de
chaleur irrécupérable. Cela ne veut pas dire que l’énergie est détruite. Cela signifie qu’elle devient non disponible pour accomplir du travail.

Question 3

Distinguez énergie potentielle et énergie cinétique. Qu’est-ce que l’énergie totale?

Answer 3

L’énergie potentielle est une énergie emmagasinée, qui pourrait éventuellement produire un travail.
( ex: L’essence utilisée dans une automobile)

L’énergie cinétique est l’énergie que possède un système en vertu de son mouvement.
(ex: un marteau en milieu de course. Lorsqu’il frappera un clou, il pourra l’enfoncer et produire un travail.)

L’énergie totale d’un système est constituée par la somme des énergies potentielle et cinétique.

Question 4

Distinguez production primaire, productivité et biomasse (concernant la production d’énergie dans les écosystèmes)?

Answer 4

PRODUCTION PRIMAIRE

Est la première forme de stockage d’énergie (par exemple : la fixation de l’énergie solaire par la photosynthèse des plantes)

PRODUCTIVITÉ
Est le taux auquel s’accumule l’énergie.

Explication
Toute l’énergie accumulée, c’est-à-dire l’ensemble de la photosynthèse, constitue la production primaire brute (PPB). Comme tous les organismes vivants cependant, les plantes doivent elles aussi consacrer une certaine quantité de cette énergie pour se maintenir en vie et assurer leurs fonctions : c’est ce qu’on appelle la respiration (R).

L’énergie qui reste sert alors à la reproduction et à la croissance de la plante, et constitue la production primaire nette (PPN).

En fait, on peut résumer le phénomène avec l’équation suivante : PPB – R = PPN

La PPN est habituellement exprimée en kilocalories/m2/année.

BIOMASSE

Il faut souligner que production et biomasse sont deux termes qui ont des significations très différentes. Comme nous venons de le voir, la PPN est l’accumulation dans le temps d’une certaine quantité d’énergie. Par contre, cette PPN s’accumule sous forme de biomasse.

Régulièrement, une partie de l’accumulation est recyclée, l’autre partie pouvant être retenue plus longtemps (comme dans le tronc des arbres, par exemple). La quantité de matière organique présente en un temps donné et dans un lieu donné constitue ce que l’on appelle la biomasse

Question 5

Que sont les chaînes alimentaires?

Quels sont les deux types de végétaux impliqués?

Dans quel sens y circule l’énergie?

De quelle façon est visuellement représentée ce transfère d’énergie?

Quels sont les consommateurs? Les carnivores? Les omnivores? Les décomposeurs ou détritivores?

Nommez les deux types de chaînes alimentaires? Dans lequel s’effectue le plus de transfert énergétique? Quelles sont les différences entre écosystèmes terrestres et marins?

Answer 5

Que sont les chaînes alimentaires?

• Les chaînes alimentaires sont des voies par lesquelles les êtres vivants obtiennent, consomment et transfèrent l’énergie.
• L’énergie emmagasinée par les plantes traverse l’écosystème par l’intermédiaire d’une série de transferts d’un organisme à un autre, chacun se nourrissant du précédent.

Quels sont les deux types de végétaux impliqués?
- Les végétaux autotrophes y représentent les producteurs tandis que les autres organismes, les hétérotrophes, en sont les consommateurs.

Dans quel sens y circule l’énergie?
- Tous les organismes, morts ou vivants, constituent donc des sources potentielles d’énergie alimentaire pour d’autres organismes. Cette énergie voyage toujours dans une seule direction : des producteurs aux consommateurs.

De quelle façon est visuellement représentée ce transfère d’énergie?
- Ce transfert énergétique est généralement représenté sous une forme de pyramide ( figure 1.4). Les producteurs constituent la base de la pyramide, alors que chacun des niveaux successifs (les consommateurs) contiennent de moins en moins d’énergie.

Quels sont les consommateurs? Les carnivores? Les omnivores? Les décomposeurs ou détritivores?

• Nous pouvons regrouper les différents consommateurs d’une chaîne alimentaire en quatre grandes classes : les herbivores, les carnivores, les omnivores et les décomposeurs ou détritivores. Le point le plus important des chaînes alimentaires réside dans la capacité que possèdent les herbivores de transformer les tissus végétaux en tissus animaux et ainsi de les rendre disponibles pour les autres organismes. Cette transformation suppose habituellement un grand nombre d’adaptations pour pouvoir tirer le maximum de profit de cette alimentation à
  base de cellulose et d’autres composés difficilement assimilables. Que l’on pense seulement aux ruminants et l’on s’aperçoit qu’ils ont une dentition très spécialisée leur permettant de broyer finement les végétaux et un estomac compartimenté où, en plus de l’action mécanique, des bactéries viennent compléter le processus de digestion.
• Les carnivores regroupent l’ensemble des organismes qui se nourrissent essentiellement d’autres organismes animaux, qu’ils soient herbivores ou carnivores. En général, on imagine les carnivores comme de gros organismes qui consomment des plus petits pour s’en nourrir. Cependant, tout animal qui se nourrit d’organismes animaux ou de tissus d’organismes animaux doit être considéré comme un carnivore.
• Beaucoup d’organismes ne peuvent pas facilement être classés dans l’un ou l’autre de ces deux groupes parce que leur régime alimentaire est constitué autant de végétaux que de tissus animaux. Ces organismes tiennent à la fois les rôles de carnivores et d’herbivores. Ils sont appelés omnivores. L’ours constitue un bon exemple de ce type d’animal qui, en fonction de la disponibilité des diverses sources de nourriture, sera tantôt herbivore, tantôt carnivore.
• Finalement, le dernier groupe de consommateurs est constitué par les décomposeurs ou détritivores. Ces organismes se nourrissent essentiellement de matière organique morte, qu’elle soit végétale ou animale. L’importance de ces organismes est tout à fait primordiale puisqu’elle permet de réintroduire dans les écosystèmes la matière qui a été utilisée par les végétaux et les animaux.

Nommez les deux types de chaînes alimentaires? Dans lequel s’effectue le plus de transfert énergétique? Quelles sont les différences entre écosystèmes terrestres et marins?

Il existe deux types de chaînes :

a) la chaîne de broutage ou de prédateurs à base d’herbivores

Cette chaîne alimentaire est caractérisée par des herbivores comme le bétail, les cervidés, les lièvres ou les insectes qui se nourrissent des plantes disponibles et qui servent ensuite de nourriture à des prédateurs comme le loup, le renard ou les oiseaux de proie.

Bien que ce type de chaîne alimentaire soit présent dans tous les milieux, ce n’est cependant pas celui par lequel s’effectue la majorité des transferts énergétiques, spécialement dans les écosystèmes terrestres et dans les milieux aquatiques comme les marécages et les estuaires. En fait, dans de tels milieux beaucoup d’énergie est stockée par les végétaux et, souvent une grande portion n’est pas directement accessible aux herbivores.

Par exemple, en milieu forestier, tout le feuillage situé en hauteur est hors de portée de certaines espèces comme les cerfs. Il en résulte donc que l’ensemble des feuilles sera éventuellement introduit dans une chaîne de décomposition lorsqu’elles se déposeront au sol à l’automne.

Par ailleurs, dans la plupart des écosystèmes terrestres, la consommation des herbivores en surface est nettement inférieure à celle des insectes et des vers (par exemple les nématodes) qui se nourrissent sous la surface du sol. Ce sont ces derniers qui peuvent parfois représenter jusqu’à 90 % du broutage effectué dans de telles chaînes alimentaires.

Au contraire, dans les écosystèmes aquatiques plus profonds, le zooplancton joue un rôle beaucoup plus important. En fait, le taux d’utilisation du phytoplancton par le zooplancton herbivore puis celui de ces derniers par le zooplancton carnivore est extrêmement élevé, souvent presque complet. On n’assiste pas, comme dans les milieux terrestres, à une accumulation de biomasse mais plutôt à un renouvellement très rapide.

b) la chaîne à base de détritivores ou saprophytique

Dans ce type de chaîne alimentaire, le matériel organique mort est à la base de l’alimentation. Les organismes consommateurs peuvent être de deux ordres. D’une part, les détritivores comme les vautours, les hyènes ou les larves de mouches se nourrissent directement des débris organiques. D’autre part, la véritable décomposition est surtout effectuée par des organismes microscopiques comme les champignons
et les bactéries. Ces derniers transforment la matière organique en sécrétant des enzymes qui permettent de briser le matériel en molécules plus petites qui peuvent alors être assimilées par les plantes.

Évidemment, ces deux types de chaînes alimentaires ne sont pas complètement distinctes l’une de l’autre en nature et les interrelations sont nombreuses.

Question 6

Expliquez l’importance de la chaîne alimentaire saprophytique.

Answer 6

Après la mort, les cadavres des plantes et des animaux pourrissent et les composants chimiques de
leur organisme sont réintroduits dans l’écosystème par l’intermédiaire des décomposeurs. Ces composants
chimiques peuvent alors être assimilés de nouveau par les plantes et recommencer le cycle.

Question 7

Quelle est l’utilité des herbivores?

Answer 7

Ils transforment les tissus végétaux en tissus animaux. Ils rendent disponibles pour les consommateurs
carnivores une énergie alimentaire qu’ils ne pourraient pas absorber autrement. Leurs excréments
servent également d’aliments aux décomposeurs.

Question 8

Constituez la pyramide des niveaux trophiques et donnez un exemple pour chacun des niveaux.

Answer 8

Premier niveau trophique : les plantes ou les producteurs.
Deuxième niveau : les herbivores.
Troisième niveau : les carnivores.

Question 9

La biomasse à l’hectare des principaux producteurs et consommateurs d’un écosystème est la suivante
:
• plantes ligneuses : 275 tonnes;
• plantes herbacées : 1 tonne;
• grands mammifères (chevreuil, orignal, etc.) 3 kg;
• petits mammifères (rongeurs, insectivores) 4,5 kg;
• oiseaux : 1,5 kg;
• faune du sol : 1 tonne dont 650 kg de lombrics (vers de terre).

a) Identifiez le type d’écosystème.
b) Quelle est la principale chaîne alimentaire de cet écosystème?
c) Quels principaux organismes assurent la productivité primaire?
d) Quels organismes représentent l’essentiel de la productivité secondaire?

Answer 9

a) Écosystème terrestre : forêt tempérée;
b) Chaîne de broutage ou de prédateurs;
c) Les plantes ligneuses;
d) La faune du sol et plus particulièrement les lombrics.

Question 10

Que représentent les pyramides écologiques?

Answer 10

Les pyramides écologiques constituent une forme de représentation graphique des relations qui existent entre les différents niveaux trophiques d’une communauté. Elles présentent deux caractéristiques fondamentales : leur hauteur est proportionnelle à la longueur de la chaîne alimentaire impliquée, et leur forme est plus ou moins étalée selon l’efficacité des transferts énergétiques.

Question 11

L’eau est un facteur écologique de premier ordre. Expliquez pourquoi.

Answer 11

L’eau est la principale constituante de la majorité des organismes vivants. Elle est un véhicule idéal
pour transporter les matières alimentaires et les déchets des êtres vivants ainsi qu’un important
véhicule de l’énergie. L’eau est un des facteurs déterminants de la productivité d’un écosystème.

Question 12

Expliquez l’interrelation qui existe entre les organismes végétaux et les organismes animaux dans le
cycle du carbone.

Answer 12

La seule source de carbone utilisable par les végétaux autotrophes pour la synthèse de la matière
organique est le gaz carbonique de l’air ou celui qui est dissous dans l’eau. La photosynthèse chlorophyllienne
transforme le gaz carbonique en composés organiques qui servent de nourriture aux
animaux. La respiration, les fermentations et les combustions assurent le retour à l’atmosphère du
gaz carbonique.

Les animaux assurent une partie de ce retour par la respiration. Mais la plus grande partie du carbone
assimilé ne retourne à la circulation biogéochimique que par l’action des décomposeurs dont
l’activité a comme produits terminaux des molécules inorganiques tels le CO2 et le H2O. Finalement,
une partie du carbone est soustraite à la circulation quand elle se trouve immobilisée dans des sédiments
peu altérables comme la houille, le pétrole, le calcaire et les dolomies.

Question 13

Comment la végétation réagirait-elle à l’accroissement de CO2 dans l’atmosphère?

Answer 13

Elle serait favorisée par cette augmentation puisque le CO2 est l’aliment de la photosynthèse. Mais les
inconnus sur le cycle de l’eau, qui pourrait être modifié par cette augmentation, troublent les prévisions.

De plus, l’augmentation de la température qui résulterait de cette augmentation de CO2 déplacerait
de grandes zones de culture. On ne sait pas en fin de compte si la balance finale serait positive.

Question 14

Expliquez le rôle des micro-organismes dans le cycle de l’azote.

Answer 14

Les micro-organismes transforment, entre autres, l’azote atmosphérique en composés azotés utilisables
par les plantes. Voir le processus de fixation de l’azote et de dénitrification à la section 1.2.3
(Les cycles de type gazeux).

Question 15

Qu’est-ce qui arrive quand il y a une augmentation d’azote dans un plan d’eau?

Answer 15

Prolifération des algues; augmentation de l’activité bactérienne et augmentation de l’absorption de
O2; asphyxie des autres organismes; eutrophisation du plan d’eau et disparition de celui-ci.

Question 16

Associez les éléments énumérés aux descriptions qui suivent.

Éléments : phosphore, carbone, H2O, O3, soufre, azote, O2, CO2, SO2.

a) L’accroissement de ce gaz provoque un réchauffement de la planète.
b) Substance rejetée par la photosynthèse.
c) Constitue une couche protectrice contre les rayons ultraviolets.
d) Retourne dans la chaîne alimentaire terrestre grâce au guano des oiseaux marins.
e) Capté par les algues bleues et transformé en acides aminés puis en protéines.
f) Constituante des protéines, provient de la décomposition du matériel organique par les bactéries
hétérotrophes.
g) Fortement concentré en milieu aquatique, il est libéré dans l’atmosphère quand celui-ci en manque.
h) Compose 80 % de l’air atmosphérique.
i) Est retourné à l’atmosphère par l’évapotranspiration des plantes.
j) Principal polluant atmosphérique, il contribue à la formation des pluies acides.

Answer 16

a) CO2.
b) O2.
c) O3.
d) Phosphore.
e) Azote.
f) Soufre.
g) Carbone.
h) Azote.
i) H2O.
j) SO2

Question 17

Qu’est-ce qui influence la vie d’un milieu?

Answer 17

Aujourd’hui, le nombre total d’organismes vivant dans un milieu donné, la rapidité de leur développement et de leur reproduction dépendent toujours aussi intimement de:

• la pénétration de cette énergie dans le milieu
• de la vitesse à laquelle son flux s’écoule à travers ce milieu
• de la vitesse de circulation de la matière.

Question 18

Quelles sont les différences entre l’énergie et la matière en termes de cheminements au niveau de la biosphère et de ses différents écosystèmes.

Answer 18

La matière:

Est tour à tour incorporée aux organismes puis retournée au milieu, dans un mouvement cyclique qui la rend, en principe, toujours disponible et réutilisable.
(circulation des matériaux)

Au contraire

L’énergie n’est pas recyclée :

Elle traverse les écosystèmes, y subit un certain nombre de transformations et se dissipe finalement sous des formes qui ne sont plus utilisables par les organismes vivants. Dans un tel contexte, la source d’énergie de la biosphère doit donc être continue.
(flux unidirectionnel)

En outre, c’est le flux d’énergie qui régit
les cycles de matériaux.

Question 19

Le flux unidirectionnel d’énergie et la circulation des matériaux représentent les deux grands principes ou « lois » de l’écologie générale. Pourquoi?

Answer 19

Puisque ces principes s’appliquent de la même façon à tous les organismes, l’humain compris. En outre, c’est le flux d’énergie qui régit les cycles de matériaux.

Question 20

Les modifications touchent quels processus écologiques essentiels au maintien de la vie sur terre? Comment?

Answer 20

• Le climat
• Les différents cycles de la gnergie circule et permet aux organismes vivants de croître et de se reproduire.
  Les changements environnementaux, naturels ou résultant des activités de l’humain, interfèrent dans ces cycles et sont à la source des problèmes que notre société moderne connaît.

Question 21

Quels sont les principaux éléments qui régissent le flux énergétique au niveau de la biosphère?

Answer 21

1. la disponibilité énergétique
2. les transformations et l’utilisation de cette énergie par les organismes
3. le rendement énergétique global des écosystèmes.

Question 22

Qu’est-ce que l’énergie?

Answer 22

L’énergie se présente à nous sous une multitude de facettes (chaleur, lumière, électricité,
charbon, pétrole, vent, réactions nucléaires, etc.).

Toutes peuvent produire un « travail ».

En conséquence, l’énergie peut être définie comme la faculté que possède un système de fournir un travail.

Question 23

Qu’est-ce que la constante solaire? Peut-elle être utilisée en totalité?

Answer 23

L’énergie solaire atteint la limite externe de la haute atmosphère à un rythme de 2 cal/cm2/min; c’est la constante solaire.

À ce niveau, près de 99 % de l’énergie solaire radiante est concentrée dans une bande spectrale
relativement étroite englobant les ultraviolets, la lumière visible et l’infrarouge.

Cependant, cette énergie n’est pas immédiatement disponible et utilisable par les écosystèmes. En effet,
environ 38 % du flux solaire est directement réfléchi dans l’espace par l’atmosphère, les nuages et les
poussières; un 10 % supplémentaire est absorbé par la vapeur d’eau et les gaz atmosphériques.

Enfin, seulement un peu plus de la moitié (52 %) des radiations solaires traversent l’atmosphère et atteignent
le sol. Et à ce niveau se produiront encore des pertes par réflexion de l’ordre de 10 %. Finalement, sur les
40 % qui restent disponibles, à peine le quart est employé par les végétaux et stimule la photosynthèse
( figure 1.1: INFLUX ET BILAN ÉNERGÉTIQUE À LA SURFACE TERRESTRE)

Question 24

Qu’est-ce que l’entropie (en lien avec les 2 lois de la thermodynamique)?

Answer 24

Puisque l’énergie ne disparaît pas, mais qu’elle peut devenir non disponible pour un travail…C’est l’accroissement irréversible de cette « non-disponibilité » de l’énergie dans l’univers que l’on mesure par une grandeur abstraite appelée la notion d’entropie. C’est une notion qui est particulièrement abstraite et par là même très difficile à se représenter.

Certains la considèrent pourtant comme intuitive. Il leur suffit de se référer mentalement à des situations réelles comme le désordre, le gaspillage, la perte de temps ou d’information.

L’énergie potentielle est donc de l’énergie ordonnée, et la chaleur de l’énergie désordonnée. Le désordre maximum, c’est l’entropie. Dans le premier cas, le mouvement d’ensemble des molécules (d’un gaz par exemple) permet de produire du travail (pousser un piston). Dans l’autre cas, il y a agitation inefficace « sur place » et dans toutes les directions à la fois : l’énergie est présente mais non disponible. De manière
imagée, on pourrait dire que la somme de toutes les quantités de chaleur perdues au cours de tous les processus ayant lieu dans l’univers mesure l’accroissement de l’entropie.

Question 25

Quels facteurs contribuent à la productivité d’un écosystème?

Answer 25

• la température
• les précipitations
• le type de plante

Question 26

Océan, eaux peu profonde ou terres? Qui a la plus grande production primaire?

Answer 26

Les océans représentent plus de 70 % de la surface de la planète, la production primaire de ce milieu est toutefois relativement faible, inférieure à 1 000 kcal/m2/année, et sa contribution globale dans la biosphère est donc nettement inférieure à sa superficie relative.

Dans d’autres cas, la production peut atteindre entre 10 000 et 25 000 kcal/m2/année, par exemple dans le cas d’écosystèmes aux eaux peu profondes tels les estuaires, les récifs coralliens, ainsi que dans le cas d’écosystèmes comme les forêts humides, les cultures agricoles intensives (par exemple la culture de la canne à sucre à longueur d’année) et les communautés naturelles qui occupent les plaines alluviales.

Question 27

Qu’est-ce que la production secondaire (concernant la production d’énergie dans les écosystèmes)?

Answer 27

L’énergie emmagasinée au niveau de l’herbivore, ou du consommateur, se nomme production secondaire.

La PPN (production primaire nette) constitue l’énergie disponible pour les animaux qui se nourriront de plantes (les herbivores).

Notons cependant qu’une bonne quantité de cette énergie est souvent exportée hors de l’écosystème (vent, drainage, ruissellement, réseau hydrographique).

Pour différentes raisons, les herbivores ne peuvent pas toujours atteindre leur source de nourriture (par exemple : les feuilles d’un arbre situées trop haut).

En pratique, donc, une quantité souvent importante de la production primaire nette n’est pas accessible aux consommateurs.

Question 28

Qu’est-ce que les niveaux trophiques et les réseaux alimentaires en termes de transferts d’énergie et de matière?

Ces niveaux trophiques sont-ils rigides (un animal peut-il appartenir à plusieurs niveaux)?

Qu’est-ce qu’un réseau alimentaire?

Answer 28

Chaîne alimentaire = plusieurs niveaux trophiques (transferts d’énergie et de matière)

À l’intérieur des chaînes alimentaires, les différents organismes qui se succèdent les uns aux autres en ce qui concerne les transferts d’énergie et de matière occupent chacun des niveaux trophiques ou alimentaires différents. Dans une chaîne de broutage, par exemple, les plantes ou producteurs occupent le premier niveau trophique. Le second niveau trophique est occupé par les herbivores qui sont les consommateurs de premier ordre. Les carnivores qui occupent le troisième niveau trophique sont, quant à eux, des consommateurs de deuxième ordre.

Ces niveaux trophiques sont-ils rigides (un animal peut-il appartenir à plusieurs niveaux)?

Ces chaînes alimentaires simplistes n’existent, pour ainsi dire, qu’en théorie. En nature, un même organisme peut souvent occuper plusieurs niveaux trophiques. Prenons l’exemple du renard roux : il pourrait être classé comme omnivore et donc au second niveau trophique lorsqu’il se nourrit de petits fruits. Par contre, lorsqu’il capture une souris, il devient un consommateur de deuxième ordre et occupe alors le troisième niveau trophique. En conséquence, il occupe dans ces deux cas des chaînes alimentaires différentes. Par ailleurs, le même renard est également le prédateur de plusieurs espèces d’herbivores; il est donc un consommateur de deuxième ordre dans différentes chaînes alimentaires.

Qu’est-ce qu’un réseau alimentaire?

Le renard, en conséquence, occupe dans ces deux cas des chaînes alimentaires différentes. Par ailleurs, le même renard est également le prédateur de plusieurs espèces d’herbivores; il est donc un consommateur de deuxième ordre dans différentes chaînes alimentaires.

Ainsi, les interrelations entre les chaînes alimentaires constituent des réseaux complexes que l’on appelle réseaux alimentaires
( figure 1.5).

Question 29

Qu’est-ce qu’une pyramide écologique? Pourquoi cette forme?

Quels types existent-ils? Quels sont leurs avantages et désavantages respectifs?

Quelle représente le mieux les relations trophiques dans une communauté?

Qu’est-ce que l’efficacité énergétique? Expliquez la loi du 10%.

Answer 29

Qu’est-ce qu’une pyramide écologique?

• Comme nous l’avons vu précédemment avec l’exemple de la pyramide de l’énergie, les pyramides écologiques constituent une forme de représentation graphique simplifiée des relations qui existent entre les différents niveaux trophiques d’une communauté.

Pourquoi cette forme?

• Tout d’abord, leur hauteur est proportionnelle à la longueur de la chaîne alimentaire concernée et, ensuite, leur forme sera plus ou moins étalée selon l’efficacité des transferts énergétiques.

Quels types existent-ils? Quels sont leurs avantage et désavantage?

1. La pyramide de nombre:
   Représente la façon la plus simple de relier les organismes de niveaux trophiques différents. En général, on remarque qu’il existe plus de plantes que qu’animaux, plus d’herbivores que de carnivores, plus d’insectes que d’oiseaux, etc. En fait, le nombre d’individus décroît lorsqu’on passe d’un niveau trophique à l’autre.

Cependant, cette règle générale présente de nombreuses exceptions et il devient alors possible que la pyramide soit inversée. Par exemple, un arbre pourrait supporter une population d’insectes ravageurs qui fera en sorte que les herbivores seront plus nombreux que les plantes. Comme on peut le constater, ce type de pyramide, qui accorde autant d’importance à tous les individus, quels que soient leur taille et
leur poids, a une portée limitée et son usage est donc relativement restreint.

2. La pyramide de biomasse:

Donne un meilleur aperçu des relations trophiques dans une communauté. Elle exprime la biomasse présente, à un moment donné, pour chacun des niveaux trophiques de la chaîne alimentaire.

Cependant, il est encore possible d’obtenir une pyramide inversée. En effet, cette mesure de la biomasse, ne tient pas compte du facteur temps. La biomasse qui est alors mesurée peut représenter des accumulations qui se sont produites en quelques jours aussi bien qu’en plusieurs années. Par exemple, en milieu aquatique, le plancton se développe et meurt de façon très rapide. Cependant, les populations sont tout de même relativement stables puisqu’il y a un remplacement continu. Au contraire, les baleines se développent lentement, accumulant leur biomasse au fil des années. Dans une telle situation, il devient alors possible que la biomasse des consommateurs soit plus grande que celle des producteurs.

3. La pyramide d’énergie

Par définition, ne peut pas présenter de telles inversions. C’est sûrement celle qui représente le mieux les relations trophiques dans une communauté puisqu’elle tient compte du taux de transfert de l’énergie aux différents niveaux.

Contrairement aux pyramides de nombre et de biomasse qui expriment des quantités présentes à un moment précis, la pyramide d’énergie représente plutôt le taux de transfert de la masse alimentaire. En accord avec la deuxième loi de la thermodynamique, la pyramide d’énergie ne peut pas subir d’inversion puisqu’il y a toujours moins d’énergie transférée à chacun des niveaux trophiques.

Qu’est-ce que l’efficacité énergétique?

Cette pyramide d’énergie amène donc un concept important, celui de « l’efficacité écologique », définie comme la quantité d’énergie transférée d’un niveau trophique à l’autre. L’efficacité du transfert d’énergie varie fortement selon les types d’organismes et les écosystèmes mais elle n’est jamais très élevée.

Elle peut varier de moins de 1 % de l’énergie existante à un niveau trophique, énergie qui se retrouve incorporée dans les tissus des organismes occupant le niveau suivant et ce, jusqu’à 20 % dans des environnements maintenus par l’humain.

La figure 1.6 illustre la circulation et l’utilisation de l’énergie à partir du soleil jusqu’à l’humain.

L’énergie solaire atteint l’atmosphère à un niveau d’environ 5 millions de kilocalories (kcal) par année (sur une base d’un mètre carré). Cette quantité d’énergie diminue exponentiellement en passant à travers les nuages, la vapeur d’eau et les différents gaz atmosphériques de façon telle que la quantité d’énergie atteignant la végétation, c’est-à-dire les producteurs primaires, n’est que d’environ 1 million de kcal/m2/année.

De cette quantité, la moitié sera utilisée par les plantes et moins de 1 % de cette quantité sera convertie en matière organique par photosynthèse. On se retrouve en bout de piste, chez les consommateurs, avec un maigre niveau calorifique.

Expliquez la loi du 10 %

Pour faciliter la tâche, les écologistes considèrent généralement une efficacité écologique de 10 % (que l’on appelle la « règle du 10 % ») pour estimer la quantité d’énergie qui est transférée au travers une chaîne alimentaire. Si l’on applique par exemple la règle du 10 % à la chaîne alimentaire « grains-bœuf-humain », nous pouvons prévoir que 100 kilogrammes de grains produiront 10 kilos de bœuf qui produiront,
à leur tour, seulement 1 kilo d’humains (Moran et al., 1986). Ainsi, seulement une petite quantité d’énergie alimentaire est transférée d’un niveau trophique à l’autre. Nous pouvons donc commencer à entrevoir pourquoi l’alimentation mondiale constitue un problème de taille avec une population de près de 7 milliards d’habitants.

Question 30

Dans quel sens circule la matière?

Rôle de l’énergie dans les cycles de la matière?

Différence entre macronutriments et micronutriments.

Qu’est-ce qu’un cycle biogéochimique? Quelles sont les deux grandes phases?

Géochimie vs biogéochimie?

Que sont les types de cycles de la matière?

Answer 30

Dans quel sens circule la matière?

La matière, ou éléments de base de l’écosystème, contrairement à l’énergie, circule selon un cycle et passe de l’environnement aux producteurs, puis aux consommateurs avant de retourner à l’environnement, d’où elle est à nouveau disponible.

Rôle de l’énergie dans les cycles de la matière?

L’énergie est nécessaire pour que les cycles de la matière puissent s’effectuer; en effet, ce recyclage des éléments de base peut se produire grâce à l’énergie provenant du soleil. Ainsi, la biosphère reçoit un support continu et illimité d’énergie solaire, ce qui n’est pas le cas des matériaux puisque leurs quantités sont fixes.

Différence entre macronutriments et micronutriments.

Macronutriments:

• Éléments, ou nutriments, qui sont exigés en quantité relativement importante par les organismes vivants.
  Les éléments de base les plus importants en circulation dans les écosystèmes sont l’oxygène, l’hydrogène, le carbone, le phosphore, l’azote et le soufre; ils ont certainement une influence majeure sur le développement de la vie.
• En fait, parmi les 40 éléments absolument nécessaires au développement de la vie, ces macronutriments forment à eux seuls 95 % de la biomasse totale des plantes et des animaux. Par exemple, l’azote est l’un des constituants de base des protéines. Le phosphore est essentiel aux transformations énergétiques associées à la photosynthèse et à la respiration. L’oxygène est également essentiel au processus de la respiration et le dioxyde de carbone ainsi que l’eau le sont pour la photosynthèse.

Micronutriments:

• Par ailleurs, beaucoup d’autres éléments, tout en demeurant nécessaires au fonctionnement des systèmes biologiques, ne sont exigés qu’en quantités infimes. Ils sont appelés micronutriments. Il est donc important de connaître la source de ces éléments de base et de comprendre comment ils circulent à travers les écosystèmes.

Qu’est-ce qu’un cycle biogéochimique?

Les voies de circulation de ces éléments chimiques de base (macro et micronutriments) entre les organismes et l’environnement sont appelés cycles biogéochimiques (bio puisqu’on réfère aux organismes vivants et géo parce qu’on réfère au roc, au sol, à l’air et à l’eau de la terre).

Quelles sont les deux grandes phases du cycle biogéochimique?

1. La phase environnementale pendant laquelle les éléments sont dans le sol, l’eau ou l’atmosphère.
2. La phase organique du cycle au cours de laquelle ces mêmes éléments chimiques se retrouvent partie intégrante de tissus animaux
   ou végétaux.

Géochimie vs biogéochimie?

On parle de géochimie en se référant à la composition chimique de l’écorce terrestre et ses composantes, et on parle donc de biogéochimie lorsqu’on étudie l’échange des matériaux entre les composantes vivantes et non vivantes de la biosphère.

Que sont les types de cycles de la matière?

Les cycles biogéochimiques sont habituellement classés en deux grands groupes selon la localisation,
dans l’environnement, du réservoir principal de l’élément en question.

Ces deux types de cycle n’ont évidemment pas toujours des frontières très bien définies et ils sont intimement liés au cycle de l’eau.

1. Type gazeux

Dans le cas du carbone et de l’azote puisqu’on retrouve la plus grande partie de ces éléments dans l’atmosphère sous forme de gaz.

2. Type sédimentaire

Au contraire, le cycle du phosphore sera considéré comme un cycle de type sédimentaire puisque la source principale de cet élément dans la biosphère se situe dans la lithosphère.

Les éléments minéraux ont leur propre cycle et se retrouvent sous deux formes dans leur vie : sous forme de roc et sous forme de sels qui les rendent accessibles aux plantes et aux animaux. Nous examinerons le cycle du phosphore, qui est un vrai minéral de sédimentation et le cycle du soufre qui est à mi-chemin entre un cycle gazeux et un cycle de sédimentation.

Question 31

Pourquoi l’eau est essentielle à la vie? Où se retrouve-t-elle?

Qu’est-ce que le cycle de l’eau?
(type hydraulique)

Expliquer ses deux processus fondamentaux (évaporation et précipitation).

Answer 31

Pourquoi l’eau est essentielle à la vie?

L’eau représente le constituant inorganique le plus abondant dans la matière vivante. Chez l’être humain, par exemple, elle constitue 60 % du poids corporel alors que cette proportion peut atteindre 80 % chez certains champignons.

En fait, la quantité de biomasse produite par les différents écosystèmes est très intimement liée à la quantité d’eau que reçoit cet écosystème.

L’eau se rencontre partout dans la biosphère et ce, sous ses trois états : liquide, solide et gazeux. De plus,
elle est distribuée entre les réservoirs océanique, terrestre et atmosphérique. Les océans, à eux seuls, représentent 97 % de la masse totale
d’eau dans la biosphère (tableau 1.1).

Qu’est-ce que le cycle de l’eau?

Le cycle de l’eau peut être défini comme un système naturel qui a comme fonction de récupérer, de purifier et de distribuer l’eau. Ce système fonctionne selon deux processus fondamentaux qui tirent leur énergie du soleil : ce sont l’évaporation et la précipitation ( figure 1.7).

Expliquer ses deux processus fondamentaux (évaporation et précipitation).

D’abord, sous l’action du soleil, il peut y avoir une évaporation de l’eau à partir de la surface du sol ou des nappes d’eau. À ceci s’ajoute un
phénomène supplémentaire : celui de la transpiration des plantes. Ce processus biologique permet aux
plantes de se libérer d’une certaine quantité d’eau pour répondre à différents besoins physiologiques. La
somme de l’évaporation physique et de la transpiration biologique s’appelle évapotranspiration.

Dans l’atmosphère, l’eau se présente sous la forme de fines gouttelettes suspendues dans l’air. Lorsque
l’humidité de l’air atteint son point de saturation (le point de saturation est le maximum d’humidité que
peut contenir l’air à une température donnée), il y a alors formation de nuages. Pour assister à la formation
de pluie, la présence dans l’air de fines particules qui deviendront alors des noyaux de condensation
est indispensable. La vapeur d’eau contenu dans l’atmosphère s’attache alors à ces noyaux; plus d’un mil-
lion de ces fines gouttelettes atmosphériques sont nécessaires à la création d’une seule goutte de pluie.
Les précipitations sous forme de pluie, de neige et de grêle permettent à l’eau de retourner à la surface
de la terre. Cependant, comme les océans couvrent environ 70 % de la surface totale de la biosphère, une
très grande partie des précipitations retournera directement à la mer. La majeure partie du cycle de l’eau
s’effectue directement entre l’atmosphère et la surface des océans. Seulement 20 % des précipitations
totales atteignent la surface des continents émergés.

L’eau qui atteint le sol peut suivre un certain nombre de voies. D’abord, l’eau peut simplement ruisseler
et rejoindre alors rapidement le système hydrographique régional. Par ailleurs, l’eau peut également
s’accumuler sur certaines surfaces et être rapidement évaporée et retournée dans le cycle. Finalement,
elle peut s’infiltrer dans le sol où elle s’intégrera au système des eaux souterraines ou sera retenue par
le sol, devenant ainsi accessible aux plantes. Dans ce dernier cas, elle retournera à l’atmosphère par le
processus de la transpiration. Le phénomène de transpiration peut être relativement important dans le
cycle de l’eau puisque la quantité d’eau transpirée par les plantes est généralement grande, d’autant plus
grande que leur alimentation en eau est meilleure. Un bouleau évapore par jour 75 litres d’eau, un hêtre
100 litres, un tilleul 200 litres, un hectare (ha) de forêt 20 000 à 50 000 litres (Duvigneaud, 1974).

Question 32

Pourquoi le carbone est-il important?

Où se retrouve le carbone?

Qu’est-ce que le cycle du carbone? (type gazeux)

Quels processus biologiques sont impliqués?

Pourquoi ce cycle n’est-il pas parfait?

Quelle est la solution qu’utilise la nature?

De quelles façons l’activité humaine intervient-elle sur ce cycle?

Answer 32

Pourquoi le carbone est-il important?

Le carbone, est intimement lié au processus de la photosynthèse.

Où se retrouve le carbone?

Le cycle du carbone est probablement un très bon exemple de cycle biogéochimique gazeux. Il constitue
un cycle gazeux puisque le carbone est « entreposé » sous forme de gaz (le dioxyde de carbone, CO2)
dans l’atmosphère qui constitue son principal réservoir.

Qu’est-ce que le cycle du carbone? (type gazeux)

Le carbone s’échange directement entre l’atmosphère
et les êtres vivants d’une part et, d’autre part, l’élément circule rapidement par l’intermédiaire des
réseaux trophiques.

Quels processus biologiques sont impliqués?

1. la photosynthèse

C’est en effet par la photosynthèse des plantes que le gaz carbonique sera incorporé dans la chaîne alimentaire. Bien que la concentration de ce gaz dans l’atmosphère soit relativement faible (environ 340 ppm), tout le phénomène de la vie sur la terre réside dans le potentiel qu’ont les plantes de le transformer.

Le carbone atmosphérique est absorbé par les plantes par l’intermédiaire de leurs stomates, de minuscules pores que l’on retrouve à la surface des feuilles. À l’intérieur de la plante, le carbone est alors combiné à l’hydrogène que la plante obtient à partir de molécules d’eau pendant le processus de photosynthèse. À partir de ce moment, une série de réactions chimiques permettent de former des molécules
organiques à base de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.

La réaction chimique globale est la suivante :
6 CO2 + 6 H2O + E C6H12O6 + 6 O2

Dioxyde de carbone + eau + énergie Glucose + oxygène

Ces molécules organiques deviennent alors partie intégrante de la plante et peuvent par la suite être transférées le long de la chaîne alimentaire aux consommateurs et aux décomposeurs. Le carbone peut retourner à l’atmosphère par deux voies: respiration ou combustion organique.

2. La respiration

La respiration chez les organismes vivants constitue la principale voie de transfert. En effet, les organismes vivants ont besoin d’énergie pour assurer leur maintien et leur croissance. Cette énergie est tirée de certaines molécules organiques qui sont transformées et, du même coup, les réactions chimiques concernées libèrent d’autres produits.

La transformation du glucose, à titre d’exemple, s’effectue de la façon suivante :
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + E

Glucose + oxygène Dioxyde de carbone + eau + énergie

Comme on peut le constater, le carbone est retourné, dans ce cas, directement à l’atmosphère sous une forme immédiatement disponible pour la photosynthèse. Le carbone peut également être retourné à l’atmosphère par la combustion de matière organique. Les feux de forêts en constituent un bon exemple. La combustion de produits comme le charbon (constitué de carbones) permet également ce retour.

Pourquoi ce cycle n’est-il pas parfait?

Cependant, le cycle du carbone ne peut être considéré comme un cycle parfait puisque des quantités importantes de cet élément s’accumulent dans la biosphère. Les gisements de charbon, de pétrole ou de gaz naturel ainsi que les tourbières constituent des culs-de-sac où le carbone est retiré temporairement de la circulation. Des matières solides comme les coquilles ou exosquelettes de plusieurs animaux
aquatiques sont difficiles à décomposer. Lorsque ces animaux meurent, ils se déposent dans le fond des bassins et retirent ainsi de la circulation le carbone qu’ils contiennent.

Comme la teneur en carbone atmosphérique est à peu près constante, il faut donc qu’il y ait un autre réservoir disponible pour compenser les pertes encourues. L’océan constitue ce réservoir. En effet, sa teneur en CO2 dissous est équivalente à environ 50 fois la masse totale du CO2 atmosphérique. En raison de cette forte concentration de carbone en milieu aquatique, il se crée alors un équilibre entre les
deux milieux.

Quelle est la solution qu’utilise la nature?

Dès qu’il y a une diminution de la concentration du carbone dans l’atmosphère, le milieu océanique cède une quantité équivalente, ce qui a pour effet de maintenir la stabilité du réservoir atmosphérique.

De quelles façons l’activité humaine intervient-elle sur ce cycle?

1. D’abord, la diminution de la végétation, spécialement par la déforestation à grande échelle, diminue le nombre d’organismes capables de
   fixer le carbone et empêche ainsi son introduction dans les chaînes alimentaires.
2. D’autre part, la combustion des énergies fossiles a pour conséquence de libérer de grandes quantités de carbone dans l’atmosphère,
   ce qui peut avoir pour effet de modifier la température et les climats.

Question 33

Pourquoi l’oxygène est-elle essentielle?

Où se retrouve l’oxygène?

Qu’est-ce que le cycle de l’oxygène? (type gazeux)

De quelles façons l’activité humaine intervient-elle sur ce cycle?

Answer 33

Pourquoi l’oxygène est-elle essentielle?

L’oxygène est un des principaux constituants du vivant. En incluant l’oxygène de l’eau présent dans les tissus, le corps humain est constitué d’environ 63 % d’oxygène alors qu’il ne contient que 19,4 % de carbone. L’oxygène, comme le carbone, est intimement lié au processus de la photosynthèse puisqu’il en est le produit.

Où se retrouve l’oxygène?

Après l’azote, l’oxygène constitue le deuxième élément en importance dans l’atmosphère. Les réserves d’oxygène dans l’atmosphère sont tellement importantes comparativement à la faible proportion contenue dans les processus biologiques que l’on a accordé relativement peu d’importance à ce cycle.

Par contre, en milieu aquatique, l’oxygène peut rapidement devenir un facteur limitant. Lors de la photosynthèse, les organismes autotrophes captent le CO2 et, grâce à l’énergie solaire, le dissocie en carbone qu’ils utilisent pour la formation des composés organiques et en oxygène qu’ils rejettent dans l’atmosphère ( figure 1.9).

Qu’est-ce que le cycle de l’oxygène? (type gazeux)

Une partie de cet oxygène, lorsqu’elle atteint la haute atmosphère, peut être transformée en ozone (O3) et assurer ainsi une protection contre les rayons ultraviolets. L’oxygène atmosphérique disponible est utilisé pour la respiration des organismes terrestres, l’oxydation des minéraux, et une autre partie est captée par le milieu aquatique lors des brassages de la masse d’eau. On estime que l’oxygène produit par
la photosynthèse égale à peu près la quantité nécessaire à la respiration de l’ensemble des organismes vivants et celle qui est utilisée pour l’oxydation des sédiments; ainsi, les concentrations atmosphériques demeurent stables.

De quelles façons l’activité humaine intervient-elle sur ce cycle?

Une des perturbations majeures associée à ce cycle est actuellement la réduction de laî (ozone) est retransformée en O2. Cette diminution de la concentration d’ozone, spécialement
aux pôles, laisse alors filtrer un plus grand nombre de rayons rproblématique au chapitre 4.

Question 34

Pourquoi l’azote est-elle essentielle?

Qu’est-ce que le cycle de l’azote? (type gazeux)

Où se retrouve l’azote?

Qu’est-ce que le processus de fixation de l’azote et en quoi est-il essentiel?

Comment est restitué l’azote assimilée par les plantes aux autres organismes de la chaîne alimentaire?

Quels sont les impacts de l’activité humaine sur le cycle de l’azote?

Answer 34

Pourquoi l’azote est-elle essentielle?

L’azote est un autre de ces éléments essentiels à la vie. Il est un des constituants des molécules organiques comme les protéines et le matériel génétique.

Où se retrouve l’azote?

Si l’on exclut les sédiments qui emprisonnent une grande quantité d’azote (non disponible pour le cycle), l’atmosphère en est encore une fois le principal réservoir. L’azote gazeux, sous forme de N2, représente 79 % de l’atmosphère. Les océans représentent le second réservoir d’azote qui s’y rencontre sous forme dissoute.

Qu’est-ce que le processus de fixation de l’azote et en quoi est-il essentiel?

Malgré l’importance de l’azote et sa grande abondance, très peu d’organismes sont capables de l’utiliser dans sa forme atmosphérique (N2). L’azote atmosphérique (N2) doit d’abord être transformé en ammoniaque (NH3) puis en nitrates (NO3). Cette transformation, appelée fixation, peut être d’origine abiotique et biotique ( figure 1.10). L’énergie lumineuse et les décharges électriques peuvent former des oxydes d’azote atmosphérique qui seront entraînés au sol par les précipitations. Ce processus de fixation atmosphérique (abiotique), quoique non négligeable, est cependant beaucoup moins important que le phénomène de fixation biotique effectué uniquement par certaines bactéries, en milieu terrestre, et par des algues bleues-vertes, en milieu aquatique.

Plus d’une quarantaine de genres de micro-organismes sont capables de fixer l’azote atmosphérique. Par exemple, les bactéries du genre Rhizobium vivant à l’intérieur de nodules (petites excroissances) localisés sur la racines de légumineuses comme la luzerne, les fèves, les pois, sont des micro-organismes importants dans ce type de réaction. Par cette association, les bactéries fournissent à la légumineuse l’azote
nécessaire à son développement et, en contrepartie, la plante fournit les sucres qui sont la source d’énergie essentielle aux Rhizobium pour transformer le N2 atmosphérique en composés azotés utilisables par la plante.
Essentiellement la réaction est la suivante :
N2 → 2N
Azote atmosphérique → Azote

2N + 3H2 → 2NH3
Azote + Hydrogène → Ammoniaque

Comment est restitué l’azote assimilée par les plantes aux autres organismes de la chaîne alimentaire?

Une fois transformé en NH3 (ammoniaque), l’azote est alors assimilé par la plante et transformé en acides aminés puis en protéines pour devenir accessible à toute la chaîne alimentaire. La restitution de l’azote mobilisé par les organismes vivants s’effectue selon trois grands processus :

1. l’ammonification

La matière organique déposée à la surface du sol est donc attaquée par les décomposeurs (essentiellement des bactéries et des champignons) qui transforment alors les acides aminés en ions ammonium (NH4) puis en ammoniaque. Cet ammoniaque peut à nouveau être assimilé par les plantes et réintroduit dans le cycle ou être transformé en nitrites (NO2–) par une bactérie (Nitrosomonas) qui en tire ainsi une
source d’énergie.

2. la nitrification

Ces nitrites peuvent ensuite être transformés par une autre bactérie (Nitrobacter) en nitrates (NO3– ). Ces nitrates hydrosolubles peuvent, comme le NH3, être assimilés par les plantes et réintroduits dans le cycle. Par contre, comme ces nitrates sont solubles dans l’eau, ils peuvent également être entraînés par lessivage dans le réseau hydrographique régional.

3. la dénitrification

Finalement, le dernier processus, la dénitification, se produit là où il y a des excès de nitrates. Grâce à l’action des champignons et des bactéries, entre autres celles du genre Pseudomonas, les nitrates sont alors transformés en N2 qui s’échappe alors dans l’atmosphère.

Quels sont les impacts de l’activité humaine sur le cycle de l’azote?

L’influence de l’activité humaine sur le cycle de l’azote est évidente au moins à deux niveaux.

1. eutrophisation (vieillissement) des milieux aquatiques
   (voir chapitre 2)

D’un autre côté, les eaux usées des municipalités sont riches en azote auxquelles s’ajoute la pollution diffuse ou ponctuelle d’origine
agricole et qui ont pour conséquence d’enrichir artificiellement les milieux aquatiques et de ce fait de contribuer à une eutrophisation accélérée.

2. appauvrissement des sols agricoles.
   En effet, les pratiques modernes ont comme effet de ne pas retourner au sol les cultures riches en azote puisqu’elles sont plutôt exportées vers d’autres écosystèmes comme les villes. Il en résulte donc une perte importante d’azote pour le sol qui doit alors être compensée par un apport massif d’engrais chimiques dont la production consomme une grande quantité d’énergie.

Question 35

Pourquoi le phosphore est-il essentiel à la vie?

Où retrouve-t-on le phosphore?

Qu’est-ce que le cycle du phosphore? (type sédimentaire, est un vrai minéral de sédimentation). Pourquoi l’eau y est-il nécessaire? Différence dans l’incorporation entre écosystèmes terrestres et marins?

Impact de l’activité humaine sur le cycle du phosphore

Answer 35

Pourquoi le phosphore est-il essentiel à la vie?

Chez les organismes vivants, le phosphore est un constituant important de molécules organiques comme l’ADN et l’ARN; il entre également dans la composition des phospholipides, éléments importants de la cellule. Son importance est donc primordiale

Où retrouve-t-on le phosphore?

Primordiale quoiqu’il soit un élément rare dans la biosphère (1 % de la teneur totale en éléments simples); ceci en fait, dans certains écosystèmes, un facteur limitant. Le phosphore est essentiellement contenu dans la lithosphère et on le retrouve dans les roches ignées et les grands dépôts sédimentaires sous forme de phosphates.

Qu’est-ce que le cycle du phosphore? (type sédimentaire, est un vrai minéral de sédimentation)

Le cycle de cet élément est relativement simple. On le retrouve surtout dans la lithosphère et on le retrouve dans les roches ignées et les grands dépôts sédimentaires sous forme de phosphates.( figure 1.11). L’action de l’eau libère le phosphore par lessivage et dissolution des sédiments ou des roches et il est mis en circulation dans les écosystèmes continentaux par le réseau hydrographique. Ces phosphates
dissous peuvent alors être absorbés par les plantes et introduits dans la chaîne alimentaire. Par la suite, ils sont retournés au sol par l’action des bactéries lors du processus de décomposition et redeviennent disponibles pour les plantes.

Ils peuvent également être entraînés par les eaux de ruissellement et, ultimement, rejoindre les milieux océaniques. Dans ce milieu, les phosphates sont soit incorporés aux chaînes alimentaires ou déposés dans le fond des mers où ils ne sont plus disponibles aux organismes. La pêche et le guano (déchets fécaux) des oiseaux marins constituent les deux principales voies de retour du phosphore provenant des milieux aquatiques vers le continent. Cependant, les transports de phosphore en provenance des océans vers la terre ferme ne permettent pas de compenser pour la sédimentation qui s’effectue au fond des mers. Cette tendance naturelle est aujourd’hui renforcée par l’action de l’humain.

Impact de l’activité humaine sur le cycle du phosphore

En effet, l’utilisation massive d’engrais chimiques, riches en phosphore, fait en sorte que de plus grandes quantités de cet élément se retrouvent dans le fond des océans sous forme de sédiments. Les apports en phosphore liés aux activités humaines ( fertilisants, fosses sceptiques non conformes, déboisement des rives, etc.) sont également à l’origine de surplus de phosphore dans certains plans d’eau, phénomène ayant favorisé le développement de floraisons de cyanobactéries dans les lacs du Québec.

Question 36

Pourquoi le soufre est-il essentiel?

Qu’est-ce que le cycle du soufre? (type sédimentaire, à mi-chemin entre un cycle gazeux et un cycle de sédimentation).

Impacts de l’activité humaine sur le cycle du soufre.

Answer 36

Pourquoi le soufre est-il essentiel?

Bien que le soufre ne soit nécessaire qu’en petite quantité pour les organismes vivants, il demeure toutefois indispensable puisqu’il entre obligatoirement dans la constitution d’acides aminés et de protéines.

Qu’est-ce que le cycle du soufre? (type sédimentaire, à mi-chemin entre un cycle gazeux et un cycle de sédimentation)

Contrairement à la plupart des éléments étudiés jusqu’à maintenant, on peut dire que le cycle du soufre est à la fois sédimentaire et gazeux. En effet, il comporte une phase sédimentaire à long terme pendant laquelle le soufre est lié aux dépôts organiques et inorganiques. Il est relâché par lessivage et par décomposition et il est entraîné sous forme soluble dans les écosystèmes terrestres et aquatiques. Par contre, la
phase gazeuse de ce cycle permet une circulation globale du soufre.

Plusieurs sources, comme la combustion des énergies fossiles, les éruptions volcaniques, la surface des océans et les gaz issus de la décomposition, permettent au soufre de réintégrer l’atmosphère sous forme d’hydrogène sulfuré (H2S) où il est rapidement transformé en dioxyde de soufre (SO2). Ce dernier gaz, soluble dans l’eau, est ramené à la surface des continents par les précipitations sous forme d’acide sulfurique, H2SO4 ( figure 1.12)

La principale source de soufre pour les organismes vivants est essentiellement constituée par les sulfates qui, solubles dans l’eau, sont facilement accessibles aux plantes qui les incorporent dans la chaîne alimentaire. Le retour du soufre est alors assuré par la décomposition du matériel organique dans le sol et dans le fond des milieux aquatiques. Cette décomposition est assurée par des bactéries hétérotrophes
qui transforment le soufre en hydrogène sulfuré ou en sulfates permettant ainsi de le réintégrer soit dans l’atmosphère, soit dans la chaîne alimentaire.

Ceci ne constitue cependant pas la fin du cycle du soufre. En effet, le soufre, en présence de fer et dans des conditions anaérobies, a tendance à précipiter sous forme de sulfite ferreux (FeS2), un composé très peu soluble dans l’eau. On assiste donc à une accumulation lente mais constante du soufre dans les sédiments profonds sous forme de pyrites. C’est sous cette forme que se trouve la plus grande réserve de soufre dans la biosphère. À long terme, les éruptions volcaniques et l’érosion pourront remettre ce soufre en circulation.

Impacts de l’activité humaine sur le cycle du soufre

1. L’exploitation de gisements miniers permet d’exposer à l’air ces roches sédimentaires soufrées. Les conditions anaérobies (sans oxygène) n’existant plus, il y a alors oxydation des sulfites ferreux et, en présence d’eau, il y a production de sulfates ferreux et d’acide sulfurique. Cet acide est ensuite entraîné vers le réseau hydrographique où l’on peut assister à une acidification rapide du milieu.
2. provient surtout de la combustion de matières fossiles (pétrole, charbon, etc.) qui contiennent parfois des concentrations importantes de soufre. Cette combustion dégage des quantités importantes de SO2 et contribue à la formation des pluies acides.

Question 37

Expliquez les interrelations entre les cycles de matière.

Answer 37

Les quelques éléments présentés dans ce chapitre ne constituent en fait qu’une petite partie de l’ensemble des cycles biogéochimiques présents dans la biosphère. Ils servent d’exemples afin de bien saisir les principaux processus impliqués et de réaliser comment les interventions humaines peuvent modifier ces processus naturels.

De plus, chacun des éléments a été présenté de façon indépendante des autres. Dans la nature, cependant, il ne faut pas perdre de vue les nombreuses interactions qui existent entre les différents éléments et l’interdépendance de plusieurs cycles. Par exemple, les cycles du carbone et de l’oxygène sont très intimement liés puisqu’ils font tous deux partie des deux phénomènes biologiques que sont la photosynthèse et la respiration. Un autre exemple est celui de l’eau qui sert de véhicule à l’ensemble des nutriments.

Question 38

Quels sont les deux types d’origine des ressources?

Définir :
a) ressources renouvelables
(composantes « normales » des écosystèmes)
b) ressources reconstituables
(composantes « normales » des écosystèmes)
c) ressources non renouvelables
(extraites de la croûte terrestre sous-jacente)
d) ressources non reconstituables
(extraites de la croûte terrestre sous-jacente)

Answer 38

Quels sont les deux types d’origine des ressources?

1) l’air, le sol, l’eau et les organismes (dont l’être humain) de l’écosphère;
2) le sous-sol.

Définir:

a) ressources renouvelables
(composantes « normales » des écosystèmes)

À strictement parler, sont les organismes et leurs produits. Seules ces ressources peuvent, par reproduction et croissance, augmenter réellement en quantité. Ce sont les micro-organismes, les plantes, les animaux et les êtres humains, qui se reproduisent et croissent en
tirant de leurs écosystèmes les matériaux et l’énergie indispensables à leur bien-être.

b) ressources reconstituables
(composantes « normales » des écosystèmes)

Qui sont inorganiques, forment la matrice des écosystèmes. Il s’agit de l’air, de l’eau, du sol et du climat (y compris le rayonnement solaire), qui enveloppent les organismes et assurent leur subsistance. Les composantes de cette matrice sont reconstituées et maintenues par des flux et des cycles assez rapides qui varient selon l’emplacement géographique.

Le cycle de l’énergie rayonnante est quotidien et celui des précipitations est saisonnier, mais les sols prennent des siècles à se reconstituer. Les ressources reconstituables que l’on trouve dans chaque région présentent
des caractéristiques qualitatives et quantitatives données et contribuent à la productivité des
ressources renouvelables tout en fixant les limites de celles-ci, sauf lorsque l’être humain intervient
en ayant recours à des ressources non renouvelables et non reconstituables (p. ex., l’emploi d’engrais
potassiques ou phosphatés pour accroître la productivité des champs cultivés).

c) ressources non renouvelables
(extraites de la croûte terrestre sous-jacente)

Sont des sources d’énergie concentrées sous la surface terrestre. Il s’agit surtout de combustibles fossiles et d’éléments radioactifs. Une fois utilisées, ces ressources sont perdues; l’énergie qu’elles contiennent est transformée en chaleur résiduaire et en d’autres sous produits.
De nos jours, le développement économique est largement tributaire des combustibles fossiles. Ces derniers soutiennent et améliorent la productivité des ressources renouvelables dans les secteurs de l’agriculture, de la foresterie et des pêches, alimentent l’industrie et fournissent l’énergie nécessaire à l’infrastructure rurale et urbaine. L’utilisation des ressources non renouvelables libère des résidus et de la chaleur résiduaire, influant de diverses façons sur les ressources renouvelables et reconstituables.

d) ressources non reconstituables
(extraites de la croûte terrestre sous-jacente)

Sont également des matériaux de la croûte terrestre : ce sont les massifs de minerai métallifère et les minéraux industriels. Une fois transformées en produits commercialisables et vendues, ces ressources ne servent pratiquement plus à d’autres fins, sauf si elles
sont recueillies et recyclées par les humains à l’aide d’une autre source d’énergie. À l’instar des ressources non renouvelables, bon nombre d’entre elles entrent dans la fabrication de produits et sont des sources importantes de polluants et de substances toxiques; elles sont à la fois utiles et nuisibles. Lorsque les produits fabriqués à partir de ces ressources sont rejetés, ils augmentent le volume des déchets. […]

Question 39

Nommez les deux facteurs des problèmes environnementaux (ou dérèglement des écosystèmes).

Answer 39

Les dérèglements des écosystèmes, ou « problèmes environnementaux », sont, en fait, des problèmes tenant aux humains et aux ressources; ils sont attribuables à deux facteurs.

1. Les êtres humains exercent des pressions excessives sur les écosystèmes régionaux et locaux en exploitant les ressources renouvelables au-delà de leur capacité de régénération (p. ex., les forêts et les pâturages épuisés) et en utilisant les ressources reconstituables (l’air, l’eau et le sol) au-delà de leur capacité de restauration.
2. Les ressources souterraines non renouvelables et non reconstituables et leurs sous-produits sont utilisés à des fins résidentielles et industrielles et rejetés en quantités considérables dans l’environnement : ces substances agressent les écosystèmes régionaux et locaux en réduisant leur potentiel de renouvellement et de restauration. Les solutions sont complexes. Elles tiennent à une connaissance plus poussée des écosystèmes et de ce qui constitue un monde sain.