Exercices Les écosystèmes : des interactions dynamiques entre les êtres vivants et avec leur milieu

Les agriculteurs cherchent constamment des solutions pour augmenter leur rendement et leurs sols doivent être suffisamment riches pour que leur activité soit rentable.

Document : Écobuage et brûlis

Avant que l’agriculture ne devienne intensive, l’une des méthodes qui permettait l’amélioration des rendements des sols agricoles se basait sur les incendies contrôlés par les agriculteurs : ceux-ci permettent l’élimination des mauvaises herbes et assurent des apports en sels minéraux, libérés par les corps calcinés. L’écobuage est un incendie qui élimine les parties aériennes des plantes ainsi que tous les êtres vivants colonisant la partie superficielle du sol, les racines peuvent être détruites jusqu’à 1 mètre de profondeur. Le brûlis ne touche pas les racines : les plantes sont brûlées après un désherbage mécanique.

Dans lequel de ces deux cas la résilience sera-t-elle la plus facile ?

Sur les plages, on ne trouve que des algues vertes. Lorsque l’on s’enfonce dans les profondeurs de l’océan, à partir d’une centaine de mètres, on ne trouve plus que des algues rouges.

Document 1 : Spectre d’absorption des deux algues

La lumière visible est le résultat de la superposition de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Au laboratoire, un prisme sépare ces différentes couleurs. On mesure la capacité d’absorption des deux algues pour chaque couleur, ceci permet de tracer un graphique que l’on appelle un spectre d’absorption.

Document 2 : Absorption de la lumière blanche par l’eau

Sur le même principe que l’expérience du document 1, on éclaire deux épaisseurs d’eau par de la lumière blanche décomposée.

Document 3 : Les pigments et la photosynthèse

Il existe divers pigments végétaux. Ils sont impliqués dans l’absorption de l’énergie lumineuse, première étape de la photosynthèse. La photosynthèse va convertir l’énergie lumineuse absorbée en énergie chimique, sous la forme de molécules, telles que le glucose.

À l’aide du document 1, dites pourquoi ces algues ont des couleurs différentes.

Document 1 : Les interactions possibles entre deux êtres vivants A et B

Document 2 : Quelques exemples d’interactions

Le corail est un animal qui pratique la photosynthèse grâce à des algues qui s’accumulent dans son tube digestif où se trouvent tous les éléments nutritifs dont elle a besoin.

Dans la forêt, les renards se nourrissent de lapins.

Les abeilles butinent les fleurs pour produire du miel. Lorsqu’elles se déplacent, elles permettent la pollinisation croisée indispensable aux brassages génétiques.

Les bactéries du microbiote humain permettent la production de certains nutriments essentiels. Les bactéries trouvent dans l’intestin humain, un milieu de vie présentant une forte abondance en nourriture et ayant une température adéquate.

Identifiez les relations des êtres vivants cités dans le document 2, en justifiant votre réponse.

Introduction de l’activité :

La forêt est un écosystème abritant une forte diversité d’insectes et de végétaux, mais aussi de mammifères.
Les écosystèmes sont des systèmes dynamiques dans lesquels interagissent différentes espèces entre elles et avec leur environnement. Ils sont structurés par ces interactions mais également par les flux de matières et d’énergie.
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).

Lors d’une balade en forêt, dès qu’on y prête un peu attention, on est très vite surpris de la diversité des paysages, des milieux et des espèces qui s’offrent à notre regard : forêt dense, prairie, éboulis, étang, etc. Cette diversité peut s’expliquer à la fois par une multitude d’interactions entre les êtres vivants mais aussi par une diversité des conditions physico-chimiques.

Document de référence : Un exemple d’écosystème forestier, la forêt de Fontainebleau

La forêt de Fontainebleau, principalement située en Seine-et-Marne, est un massif forestier d’environ 25 000 hectares caractérisés par une grande diversité biologique et de paysages.

Document 1 : Diversité biologique de la forêt de Fontainebleau

a. Classes d’habitats

b. Diversité animale et végétale

La forêt de Fontainebleau abrite l’une des plus riches faunes d'arthropodes en Europe, à savoir 3 300 espèces de coléoptères et 1 200 de lépidoptères. Elle abrite, par ailleurs, plus de soixante espèces végétales protégées. La plupart de ces espèces sont rares dans la plaine française et en limite de terrain. La forêt de Fontainebleau est célèbre pour ses platières gréseuses, ses gros rochers de grès, landes, pelouses calcaires et sablo-calcaires, chênaies pubescentes, etc.

Document 2 : Organisation verticale d’une forêt et variation de paramètres environnementaux dans une forêt de pins

Document 4 : Réseau trophique d’une forêt tempérée

Document 5 : La pollinisation par les abeilles : un exemple de coévolution

La reproduction de beaucoup de plantes à fleurs comme l’anémone pulsatille passe par la dissémination du pollen sur le pistil d’une autre fleur. Cette dissémination est de nature entomogame, c’est-à-dire qu’elle doit passer par un insecte qui transporte le pollen d’une fleur à l’autre. Des modifications de ces fleurs ont été effectuées par la sélection naturelle, permettant ainsi d’attirer les insectes comme l’abeille en échange d’une récompense comme le pollen ou du nectar. Les abeilles récupèrent de la nourriture et assurent la reproduction de ces fleurs. Ces insectes ont été également modifiés par la sélection naturelle. On parle ainsi de coévolution, mécanisme modifiant deux organismes dont l’interaction est forte.

Document 6 : Les différentes interactions entre deux organismes

Grâce à l’étude des documents fournis, il s’agira d’identifier, en argumentant, les principales caractéristiques d’un écosystème, notamment sa diversité en espèces (biocénose) et en milieux (biotope). Le document de référence ne doit pas faire l’objet d’une étude particulière mais permet d’apporter des informations générales sur l’exemple choisi : la forêt de Fontainebleau.

Décrivez la diversité des espèces vivants dans la forêt de Fontainebleau.

Introduction de l’activité :

La diversité des interactions biotiques s’étudie à la lueur de leur effet sur la valeur sélective des partenaires : compétition (pour la lumière, 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.). Une des caractéristiques qui définit cet écosystème est la grande diversité des organismes y vivant (la biocénose) et les nombreuses interactions qui interviennent entre eux. Celles-ci ont des conséquences sur ces organismes et ont un impact sur l’évolution de ces organismes.

🧪 Démarche expérimentale : 📝

Matériel :

• Un microscope
• Lames et lamelles
• Une pince fine
• Bleu coton
• Un échantillon de racine mycorhizée

Protocole :
1. Réaliser une coupe transversale fine de l’échantillon fourni (racine mycorhizée).
2. Déposer, à l’aide d’une pince fine, une coupe fine sur une lame.
3. Ajouter une goutte de bleu coton (colorant spécifique des champignons) puis une lamelle.
4. Observer au microscope optique au grossissement approprié.

Document 1 : Une relation de proximité : la mycorhize

En 1885, il a été observé que 80 à 90 % des plantes ont leurs racines recouvertes de filaments blanchâtres identifiés comme étant des filaments de champignons appelés hyphes (éléments filamenteux, caractéristiques des champignons). Les scientifiques se sont longtemps posé la question des conséquences de cette interaction : négative, positive, neutre ? L’observation d’une mycorhize et son analyse devrait permettre d’y répondre.

a. Observation d’une mycorhize

Les champignons, par l’intermédiaire de leurs filaments mycéliens, sont très efficaces dans l’absorption de l’eau et des minéraux du sol. À l’inverse, les plantes chlorophylliennes, grâce à la photosynthèse, sont capables de produire de la matière organique comme du glucose.  Des études de marquage moléculaire ont montré que des molécules sont échangées entre les filaments mycéliens et les cellules des racines des plantes mycorhizées.

b. Comparaison de paramètres morphologiques racinaires et foliaires de plants de Rhododendron mycorhizés ou non

Cette étude expérimentale vise à comparer plusieurs paramètres de racines et feuilles de plants de rhododendrons non mycorhizés (lot 1) ou mycorhizés (lot 2). Ainsi, la longueur des racines (figure 1), le nombre de feuilles (figure 2) ou de racines (figure 3) ont été mesurés après 20, 40, 60 et 120 jours. Le début des mesures correspond au jour où les plants du deuxième lot ont été mis en contact avec le champignon. 

Document 2 : Une relation de prédation intégrée à la lutte biologique : chauve-souris Sérotine et chenille processionnaire

a. Relation de prédation

Dans les Landes (Sud-Ouest de la France), les forêts de conifères (pins maritimes notamment) sont très développées et exploitées pour le bois. La présence des chenilles processionnaires (thaumetopea pityocampa) met en danger ces forêts. Celles-ci se regroupent en effet en grand nombre et se nourrissent des feuilles des pins, affaiblissant grandement les arbres.

La chauve-souris Sérotine est un prédateur naturel de ces chenilles lorsqu’elles sont sous la forme de papillons.
L’INRAE (Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement) recommande ainsi la protection et mise en valeur des populations de chauve-souris pour lutter contre les chenilles processionnaires. 

b. Impact de la présence des chauves-souris sur la population de chenilles processionnaires

Les chercheurs ont mesuré l’abondance des chauve-souris Sérotines et leur activité de prédation sur les papillons des chenilles processionnaires. La fécondité des papillons est ainsi représentative de l’abondance des papillons et donc des chenilles l’année suivante.

c. Exemple de modèle d’équilibre proies-prédateurs

Document 3 : La relation « étouffante » du gui avec ses hôtes

Le gui (viscum album) est une espèce de plantes qui ne possède pas de racines mais qui se fixe sur un arbre hôte dont il absorbe la sève via une structure appelée haustorium servant de suçoirs. Il récupère ainsi de la sève brute (eau et sels minéraux) et peut faire mourir des branches et épuiser l’arbre hôte.
Le gui ne doit cependant pas affaiblir trop rapidement son hôte car il est dépendant de lui pour sa nutrition et sa reproduction.

Document 4 : Relation de compétition pour l’accès à une ressource, la lumière

La forêt domaniale d’Orléans est dominée par deux espèces d’arbres : le chêne autochtone (Quercus petraea) et une espèce introduite, le pin sylvestre (pinus sylvestris). Le pin a été importé pour reboiser des régions de la forêt déforestées par une surexploitation des bois et du surpâturage des animaux. Sa population est aujourd’hui vieillissante et son renouvellement difficile. Lors de la mort d’un arbre, une trouée apparaît et la lumière, jusque-là grandement absorbée par les grands arbres, arrive soudainement au sol vers les jeunes pousses ou les fougères (pteridium aquilinum). Une course vers la lumière s’opère alors.
La régénération du chêne, espèce de demi-ombre, semble pouvoir s’obtenir assez facilement mais celle du pin, espèce réputée de lumière, est plus difficile.

Document 5 : Les différentes interactions entre deux organismes

Grâce à l’étude des documents fournis, il s’agira de montrer comment différentes interactions entre les organismes d’un écosystème contribuent à modifier la biocénose de cet écosystème.

Caractérisez, à l’aide des documents 1 et 5 le type de relation existant entre un arbre (via ses racines) et un champignon. Expliquez en quoi cette relation est un élément important caractéristique d’un écosystème en bonne santé.

Introduction de l’activité :

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.

Un agrosystème est un écosystème créé par les humains et exploité pour obtenir de la biomasse. Ces agrosystèmes doivent être enrichis régulièrement en intrants (engrais etc.). Contrairement à eux, les écosystèmes sont dits équilibrés, c’est-à-dire qu’il y a autant de matière qui entre que de matière qui en sort. Les êtres qui y vivent, comme montré dans l’activité précédente, contribuent à ces échanges de matières qui entretiennent ces écosystèmes qui peuvent participer notamment au stockage du carbone, élément très important de la régulation du climat.

Document 1 : Flux de matière et d’énergie dans un écosystème

Document 2 : Les principaux métabolismes impliqués dans les flux de matière

À l’aide des documents 1 et 2, identifiez et expliquez les mécanismes qui permettent l’entrée de matière organique dans un écosystème puis comment elle circule à l’intérieur de celui-ci.

Introduction de l’activité :

Que cela soit par la main de l’être humain ou non, les écosystèmes ont une dynamique spatio-temporelle avec des populations pouvant être affectées par des perturbations (destruction de l'habitat, espèces invasives, maladies). Plus l’écosystème possède d’interactions entre ces différentes composantes, plus il contient de diversité, plus sa capacité de récupération, appelée résilience, sera forte. Cependant, si un seuil de perturbation est atteint, cette résilience peut ne plus être possible.

La forêt du domaine du château de Versailles a par exemple été durement touchée par la tempête de 1999 avec des vents dépassant les 210 km/h. Sur les 200 000 arbres du parc, 10 000 ont été touchés : fendus ou déracinés. Vingt ans plus tard, le domaine a retrouvé des couleurs même si des arbres historiques ont été irrémédiablement perdus.

Document 1 : Diversité des perturbations d’un écosystème forestier

À l’aide du document 1, identifiez les grandes causes de perturbation de l’écosystème forestier.