Exercices corrigés : les écosystèmes, interactions et dynamique (Première spécialité SVT)

B. Le biotope, c'est le milieu de vie avec ses caractéristiques physico-chimiques : température, lumière, eau, sol et son pH.

La biocénose est l'ensemble des êtres vivants ; l'écosystème réunit biocénose et biotope en interaction.

Piège : la proposition C définit l'écosystème, et la D une population (une seule espèce).

C. La valeur sélective se mesure par la descendance : un individu qui survit sans se reproduire a une valeur sélective nulle.

C'est la grandeur qui permet de classer toutes les interactions : on regarde si la présence du partenaire l'augmente (+), la diminue (−) ou la laisse inchangée.

C, un mutualisme : l'épinette reçoit eau et ions minéraux, le champignon des sucres, et chacun croît mieux associé que seul, donc la valeur sélective des deux augmente (+/+).

Cette association étroite et durable est une symbiose, la mycorhize.

Piège : « il prélève des sucres, donc c'est un parasite ». Un échange n'est pas une exploitation : on juge sur le bilan pour CHAQUE partenaire, pas sur un seul flux.

B. Deux plantes qui puisent la même ressource limitée se la disputent : chacune en dispose de moins en présence de l'autre, et sa valeur sélective tend à diminuer (−/−).

C'est une compétition interspécifique ; elle existe aussi entre individus d'une même espèce.

Piège : la D décrit une exploitation, où un seul partenaire est perdant.

B, un parasitisme, l'une des formes de l'exploitation : le cynips se nourrit aux dépens du chêne (+/−).

La galle est une excroissance de la feuille provoquée par la larve ; elle détourne des réserves du chêne au profit de l'insecte.

Piège : abriter un être vivant ne fait pas une coopération ; seul l'effet sur la valeur sélective des deux partenaires tranche. L'effet sur un grand chêne est faible, mais il est de signe négatif.

C. La vapeur d'eau rejetée par les feuilles quitte la forêt vers l'atmosphère : c'est une sortie.

La photosynthèse fait au contraire ENTRER du carbone de l'air dans la biomasse.

La chute des aiguilles et la consommation des bourgeons font circuler la matière à l'intérieur de l'écosystème, sans la faire sortir.

B. La résilience est la capacité à revenir vers un état proche de l'état initial, et elle a une limite : au-delà d'un certain seuil, l'écosystème bascule vers un autre état.

Piège : la D oublie le seuil, la C confond résilience et absence de changement. Une forêt brûlée change d'abord beaucoup, puis se reconstitue en quelques décennies.

B. Dans un réseau trophique, la flèche part de l'être vivant mangé et pointe vers celui qui le mange : elle suit le trajet de la matière.

Piège : lire la flèche « mange » au lieu de « est mangé par » inverse tout le réseau, et toutes les réponses qui en découlent.

Le biotope rassemble les caractéristiques physico-chimiques du milieu : température (1), pH du sol (3), enneigement (5).

La biocénose rassemble les êtres vivants : épinettes (2) et larves de tordeuse (4).

Piège : les larves sont des êtres vivants même si on ne les voit pas ; le sol, lui, est un élément du biotope, même s'il est peuplé d'êtres vivants qui, eux, appartiennent à la biocénose.

Un écosystème est formé d'une communauté d'êtres vivants (la biocénose) en interaction entre eux et avec leur milieu de vie (le biotope).

Sa limite est un choix de l'observateur : ici, la parcelle, de la roche sous le sol jusqu'à la cime des arbres, et le ruisseau qui la draine.

Ce choix est indispensable : sans frontière, on ne peut dire ce qui entre ni ce qui sort, donc on ne peut faire aucun bilan.

1) Le carbone de l'air, extérieur à la parcelle, est incorporé à la biomasse : entrée.

2) Les aiguilles passent de l'arbre au sol, deux éléments de l'écosystème : circulation interne.

3) L'eau passe du sol à l'atmosphère par les arbres : sortie. 4) Les nitrates quittent la parcelle par le ruisseau : sortie.

5) L'azote apporté par la pluie vient de l'atmosphère : entrée.

Piège : un flux ne se classe qu'après avoir posé la frontière ; la même chute d'aiguilles serait une sortie pour un écosystème limité aux seuls arbres.

C'est une perturbation naturelle : le vent est un facteur externe, sans intervention humaine.

Les perturbations font partie de la dynamique spatio-temporelle des forêts : le chablis ouvre une trouée où la lumière atteint le sol et où de jeunes arbres prennent la place des arbres abattus.

La relation se joue entre la biocénose et le biotope : la répartition de l'épinette dépend d'une condition abiotique, la teneur en eau du sol.

Dans un sol gorgé d'eau, les racines manquent de dioxygène et la croissance est ralentie ; sur la pente drainée, cette contrainte disparaît.

Cette affirmation reste à vérifier par une mesure : l'exercice 6 montre comment l'échantillonner sans confondre l'eau avec d'autres facteurs qui varient en même temps.

1 : la racine de l'épinette, reconnaissable à ses cellules et à sa partie ancienne, à gauche, non recouverte.

2 : le manteau, une gaine d'hyphes serrées qui enveloppe l'extrémité de la racine.

3 : une hyphe qui part du manteau et explore le sol entre les grains.

A part de la racine vers le champignon : ce sont des sucres, fabriqués par la photosynthèse des aiguilles puis transportés jusqu'aux racines.

B part du sol, suit une hyphe et rejoint la racine : ce sont l'eau et les ions minéraux (phosphate, azote) puisés par le champignon.

Les hyphes, très fines et très longues, explorent un volume de sol bien plus grand que la racine seule : c'est ce qui rend l'apport du champignon décisif dans un sol pauvre.

Je vois : 180 mg avec le champignon, 95 mg sans.

Phosphore : 1,6 contre 0,9 mg par gramme.

J'en déduis que la présence du champignon presque double la croissance et la teneur en phosphore.

La comparaison est valable parce qu'une seule variable change entre les deux lots : le sol est stérilisé dans les deux, seul l'ajout du champignon diffère. Le lot sans champignon est le témoin.

Pour l'épinette : le document 2 montre une croissance et une nutrition meilleures en présence du champignon, donc une valeur sélective accrue.

Pour le champignon : il reçoit des sucres qu'il ne fabrique pas, et il ne forme ses carpophores, donc ne se reproduit, qu'associé aux racines.

Les deux partenaires y gagnent (+/+) : c'est un mutualisme ; association étroite et durable, la mycorhize est une symbiose.

Piège : conclure sur un seul partenaire. Le document 2 ne parle que de l'épinette ; c'est l'information sur les carpophores qui établit le bénéfice du champignon.

L'algue, chlorophyllienne, fabrique par photosynthèse de la matière organique dont une partie nourrit le champignon.

Le champignon lui fournit en retour eau et ions minéraux, et un abri qui limite le dessèchement.

Le lichen est donc, lui aussi, une symbiose : il colonise des sols secs et pauvres, comme la crête sableuse, où aucun des deux partenaires ne vivrait seul aussi bien.

La biomasse est une quantité présente à un instant : c'est un STOCK, en tonnes par hectare.

La production est une quantité fabriquée pendant une durée : c'est un FLUX, en tonnes par hectare et par an.

Piège : comparer directement une biomasse et une production, c'est comparer une somme sur un compte et un salaire mensuel.

Je convertis dans la même unité : $B=100$ t/ha et $P=7{,}2$ t/ha/an.

Il faut environ quatorze ans de production pour fabriquer l'équivalent de la biomasse présente. Ce n'est pas l'âge des arbres : les aiguilles et les racines fines se renouvellent vite, les troncs très lentement.

La biomasse des consommateurs primaires se renouvelle en six mois environ, près de 28 fois plus vite que celle des producteurs.

Ce sont surtout des insectes à vie courte : une faible biomasse peut cacher une production rapide.

Je compare des productions, donc des flux, dans la même unité : 7,2 t = 7 200 kg.

$\dfrac{72}{7\,200}=0{,}01$, soit 1 %.

$\dfrac{7{,}2}{72}=0{,}10$, soit 10 %.

D'un niveau au suivant, la production chute fortement : c'est pourquoi la pyramide des productions se rétrécit toujours vers le haut et pourquoi un réseau trophique compte peu de niveaux.

Piège : calculer le rendement avec les biomasses ; on obtiendrait des valeurs qui ne mesurent aucun transfert.

Seul 1 % de la production végétale devient production d'herbivores. Le reste est pour une part respiré par les végétaux eux-mêmes, pour une petite part stocké dans les troncs, et surtout perdu en aiguilles, branches et racines mortes.

Cette matière morte rejoint le sol (la litière), où les décomposeurs, champignons et bactéries, la transforment en dioxyde de carbone et en ions minéraux.

Ces ions sont à nouveau absorbés par les racines : le sol recycle la matière, ce qui permet à une forêt de pousser sur un sol pauvre en azote. L'exercice 9 chiffre ce recyclage.

Plan possible.

Introduction : définir l'écosystème (biocénose et biotope en interaction) et poser le problème : comment une forêt fonctionne-t-elle et se maintient-elle alors qu'elle change sans cesse ?

I. Des interactions qui organisent l'écosystème. Avec le biotope : la répartition des espèces dépend des conditions abiotiques (eau du sol, lumière). Entre êtres vivants, classées par leur effet sur la valeur sélective : compétition (−/−) entre sapin et épinette ; exploitation (+/−), prédation de la tordeuse par la paruline, parasitisme ; coopération (+/+), mycorhize et lichen, deux symbioses.

II. Des interactions qui font fonctionner l'écosystème. Les végétaux font entrer le carbone par photosynthèse ; la matière circule dans le réseau trophique ; elle sort par la respiration, l'évapotranspiration et le ruisseau. Une grande partie est recyclée par les décomposeurs du sol, qui rendent les ions minéraux aux racines : l'écosystème est ouvert, mais il recycle.

III. Un équilibre dynamique. Même sans l'humain, des perturbations (épidémie de tordeuse, chablis, incendie) bouleversent les populations. Le réseau d'interactions et la diversité des espèces favorisent la résilience : la paruline limite la tordeuse, l'épinette noire ressème après le feu. Cette capacité a un seuil : deux feux trop rapprochés empêchent la forêt de se reconstituer.

Conclusion : un écosystème n'est jamais figé ; il se maintient en changeant, par un équilibre dynamique qu'une perturbation trop forte peut rompre.

Un équilibre dynamique : la composition et les effectifs fluctuent en permanence, mais l'écosystème revient vers un état comparable après une perturbation modérée.

Piège : « équilibre stable ». Aucun écosystème n'est figé ; et l'équilibre peut être rompu au-delà d'un seuil.

Je vois : à 100 m, mousse hypne 44 % et lichens 41 % ; à 120 m, lichens 72 % et mousse hypne 14 %.

Les lichens deviennent le groupe dominant à partir de 120 m, au quadrat Q7.

Piège : prendre le croisement des courbes vers 100 m. Entre deux quadrats, le tracé relie des mesures par un segment : il n'y a aucune mesure entre eux.

Les sphaignes couvrent plus de la moitié du sol en Q1 (92 %) et Q2 (74 %), où la teneur en eau vaut 86 % et 78 % : la plus faible est 78 %.

Les lichens dominent en Q7 et Q8, où la teneur en eau vaut 15 % et 11 % : la plus forte est 15 %.

Je vois : les sphaignes dominent quand le sol contient plus de 75 % d'eau, la mousse hypne entre environ 23 et 63 % (Q3 à Q6), les lichens sous 15 %.

Je sais que la répartition des espèces dépend des conditions abiotiques du biotope.

J'en déduis que les trois groupes se succèdent le long du gradient d'humidité : chacun occupe la zone où sa valeur sélective est la meilleure, et où il supplante ses concurrents.

Ce n'est pour l'instant qu'une corrélation : la question d le montre.

Je vois dans le document 2 que l'éclairement au sol passe de 32 % à 84 % du lac vers la crête, pendant que la teneur en eau baisse de 86 % à 11 %.

Deux paramètres du biotope varient donc ensemble : le relevé ne permet pas de dire lequel agit sur les lichens, ni s'il ne s'agit pas d'un troisième facteur non mesuré (nature du sol, pente).

Expérience : cultiver des fragments de lichen sur un même substrat, à éclairement identique, en ne faisant varier que l'arrosage (trois teneurs en eau, plusieurs répétitions), puis comparer leur croissance à un lot témoin.

Piège : une corrélation sur le terrain n'est pas une relation de cause ; seule une expérience où une seule variable change à la fois peut l'établir.

Repérer les quadrats de façon durable (piquets, coordonnées GPS) pour revenir aux mêmes emplacements.

Garder la même surface de quadrat (1 m²), le même nombre de quadrats et le même espacement.

Faire le relevé à la même saison et dans des conditions comparables (sol non détrempé par une pluie récente).

Estimer le recouvrement par la même méthode (grille de lecture, mêmes groupes) et noter le protocole complet.

C'est la reproductibilité du protocole qui permet d'attribuer une différence à l'évolution de la parcelle, et non à la façon de mesurer.

Je vois deux pics de la tordeuse : 37 larves par branche en 1978, 35 en 2016.

$2016-1978=38$ ans.

Entre les deux, la tordeuse reste rare pendant plus de vingt ans : ses effectifs ne sont pas constants, ils connaissent des épidémies séparées de plusieurs décennies.

Les parulines culminent en 1980 (8,1 couples pour 10 ha) puis en 2018 (7,7 couples).

Décalage : $1980-1978=2$ ans, et $2018-2016=2$ ans.

Les deux courbes montent et descendent ensemble, celle des parulines avec deux ans de retard.

Je sais que la valeur sélective se mesure par le nombre de descendants qui survivent et se reproduisent.

Quand les chenilles abondent, les parulines nourrissent plus de jeunes : leur valeur sélective augmente, mais il faut une à deux saisons de reproduction pour que les couples nicheurs se multiplient.

Quand la tordeuse s'effondre, la nourriture manque et les effectifs de parulines baissent à leur tour, toujours avec retard.

Piège : dire que les parulines « font » disparaître la tordeuse. Le document montre une corrélation décalée ; la prédation y contribue, avec les parasitoïdes, les maladies et le manque de bourgeons quand les sapins meurent, mais ce graphique ne permet pas de mesurer la part de chacun.

Le corrigé donne le réseau (figure ci-dessous). Les flèches suivent la matière, du mangé vers le mangeur.

Sapin et épinette → tordeuse : herbivorie, une exploitation (+/− : la tordeuse y gagne, l'arbre y perd).

Tordeuse → paruline : prédation ; tordeuse → guêpe parasitoïde : parasitisme ; deux exploitations.

Sapin et épinette : compétition pour la lumière et les ions du sol (−/−). Épinette et champignon : mutualisme, la mycorhize (+/+).

Piège : oublier les interactions qui ne sont pas alimentaires. La compétition et le mutualisme font partie du réseau d'interactions, même s'ils n'apparaissent pas dans un réseau trophique.

$25-60=-35$ points de pourcentage.

Je vois que la part de l'épinette noire passe de 35 à 55 % et celle du bouleau de 5 à 20 %.

J'en déduis que l'épidémie a surtout tué des sapins, l'espèce que la tordeuse préfère. Leur mort ouvre des trouées : la lumière atteint le sol et la compétition se relâche au profit des épinettes, moins touchées, et du bouleau, qui pousse vite en pleine lumière.

L'épidémie est une perturbation naturelle qui transforme la forêt sans la détruire. Les jeunes sapins qui attendaient à l'ombre reprennent ensuite leur croissance : la composition change, puis tend à se reconstituer jusqu'à l'épidémie suivante. C'est un équilibre dynamique.

Faux. Même sans action humaine, un écosystème change sans cesse : épidémies de tordeuse, chablis, incendies modifient les populations (exercice 7).

Correction : « Un écosystème est en équilibre dynamique : sa composition fluctue, et il revient vers un état comparable après une perturbation modérée, tant qu'un seuil n'est pas dépassé. »

Faux. Le champignon reçoit des sucres, mais il fournit en retour eau et ions minéraux, et la croissance de l'épinette double presque (exercice 3).

Correction : « La mycorhize est un mutualisme : la valeur sélective des deux partenaires augmente ; c'est une symbiose. »

Piège : classer une interaction d'après un seul flux de matière.

Vrai. Dans le réseau de l'exercice 7, la tordeuse est consommatrice primaire (elle mange des bourgeons) et proie de la paruline et des guêpes parasitoïdes.

C'est le cas de la plupart des espèces : un réseau trophique est un réseau, pas une simple chaîne.

Faux. Le carbone entre par la photosynthèse et l'azote par la pluie ; l'eau sort par évapotranspiration, le carbone par la respiration et le ruisseau (exercice 9).

Correction : « Un écosystème est un système ouvert : de la matière y entre, y circule et en sort ; une partie seulement est recyclée sur place, notamment grâce au sol. » C'est pour cela qu'on peut en faire un bilan.

Faux. La comparaison porte sur des biomasses, donc sur des stocks : $\dfrac{100\,000}{36}\approx 2\,800$.

Mais leur biomasse se renouvelle en six mois (exercice 4), et une épidémie de tordeuse tue assez de sapins pour changer la composition de la canopée (exercice 7).

Correction : « Les consommateurs primaires ont une faible biomasse mais une production rapide, et ils influencent fortement la dynamique de la forêt. »

Je pose la frontière : végétation, litière et sol à l'intérieur, atmosphère et ruisseau à l'extérieur.

Entrée : la photosynthèse, 780 g C/m²/an, du carbone de l'air incorporé à la matière organique.

Sorties : respiration des plantes (420), respiration du sol (300), carbone dissous (10).

$420+300+10=730$ g C/m²/an.

Flux interne : la litière et le bois mort (330), de la végétation vers le sol.

$780-730=+50$ g C/m²/an.

Le bilan est positif : l'écosystème accumule du carbone, c'est un puits cette année-là.

Ce gain est faible devant les flux qui le composent : un bilan d'écosystème est une petite différence entre de grands nombres, d'où l'importance de mesures précises.

La litière passe de la végétation au sol, deux réservoirs internes : elle ne change pas la quantité totale de carbone de l'écosystème.

Végétation : $780-420-330=+30$ g C/m²/an.

Litière et sol : $330-300-10=+20$ g C/m²/an.

$30+20=50$ : on retrouve le bilan de la question b.

Piège : compter la litière comme une sortie. Elle ne quitte pas l'écosystème : elle change de réservoir.

$520-(330+340+12)=-162$ g C/m²/an.

Le bilan est négatif : la forêt perd du carbone, elle devient une source.

Je sais que la tordeuse dévore les jeunes aiguilles : moins de surface photosynthétique, donc moins d'entrée. Les aiguilles et chenilles mortes, et les déjections, nourrissent les décomposeurs : la respiration du sol augmente.

Une perturbation naturelle peut donc inverser le bilan d'un écosystème pendant quelques années ; il redevient un puits si la végétation se reconstitue.

$780-420=360$ g C/m²/an.

Matière sèche : $\dfrac{360}{0{,}5}=720$ g/m²/an, soit $720\times 0{,}01=7{,}2$ t/ha/an.

C'est la production des producteurs donnée à l'exercice 4 : les deux méthodes, la tour de mesure et la pesée de la biomasse, décrivent la même forêt.

De même, le stock de la végétation, $5\,000$ g C/m², correspond à $\dfrac{5\,000\times 0{,}01}{0{,}5}=100$ t de matière sèche par hectare.

Entrées : $3{,}0+1{,}5=4{,}5$ kg N/ha/an. Sorties : $0{,}6+0{,}4=1{,}0$ kg N/ha/an.

Bilan : $4{,}5-1{,}0=+3{,}5$ kg N/ha/an.

Les racines absorbent 32 kg N/ha/an. Même si tout l'azote entré servait aux racines, il en manquerait $32-4{,}5=27{,}5$ kg, qui viennent forcément du sol.

$\dfrac{27{,}5}{32}\approx 0{,}86$, soit au moins 86 %.

J'en déduis que la forêt fonctionne surtout sur son azote recyclé : les décomposeurs transforment la matière organique morte en ions minéraux, réabsorbés par les racines, et par les mycorhizes de l'exercice 3. Le flux recyclé est sept fois plus grand que les entrées.

Je lis 5,1 semis par m² pour un peuplement brûlé à 80 ans, et 0,3 semis par m² à 20 ans.

La densité de semis dépend fortement de l'âge du peuplement au moment du feu : elle est 17 fois plus forte à 80 ans qu'à 20 ans, ce qui concorde avec le document 1.

La courbe coupe le repère d'un semis par m² entre 20 ans (0,3) et 30 ans (1,2), plus près de 30.

Par interpolation linéaire entre ces deux mesures :

Un peuplement brûlé avant environ 28 ans n'a pas assez de cônes pour assurer la reconstitution d'une forêt fermée.

Soixante ans après le dernier feu : 74 t/ha au site A, 12 t/ha au site B.

$\dfrac{12}{74}\approx 0{,}16$, soit environ 16 %.

Le site A a retrouvé une grande partie de sa biomasse et continue d'en gagner : la pessière s'est reconstituée, c'est sa résilience. Le site B stagne à un niveau très bas.

Au site B, la forêt a brûlé une seconde fois quinze ans après le premier feu : les jeunes épinettes n'avaient pas encore de réserve de cônes (document 1), le document 2 prévoit moins de 0,3 semis par m².

Soixante ans plus tard, on compte 300 arbres par hectare contre 2 800 au site A, et les lichens couvrent 75 % du sol (document 4) : c'est une forêt ouverte à lichens.

Je sais que le tapis de lichens gêne l'installation des semis : l'état nouveau tend à se maintenir. Ce n'est pas un retard de croissance, c'est un autre état de l'écosystème, qui persiste au moins des décennies.

Piège : conclure que le site B « repousse plus lentement ». Sa biomasse ne rattrape pas celle du site A : elle plafonne vers 15 à 17 t/ha.

Conclusion. Après un feu sur un peuplement âgé, la pessière noire se reconstitue en quelques décennies (site A) : elle est résiliente, grâce à une interaction avec son milieu, l'ouverture des cônes par la chaleur.

Cette résilience a un seuil : si un second feu survient avant que le peuplement atteigne environ 30 ans, la réserve de graines est insuffisante et l'écosystème bascule vers une forêt ouverte à lichens, un autre état qui persiste.

La perturbation est alors irréversible à l'échelle de plusieurs générations humaines. Un climat qui rend les feux plus fréquents rapproche les incendies, donc ce seuil, ce qui fait de lui un enjeu actuel pour la forêt boréale.