Le cycle de la matière dans les écosystèmes
Les matières organiques et inorganiques sont continuellement recyclées et réutilisées. Ce cycle est communément appelécycle des nutriments.
Les nutriments présents dans le sol et l'eau sont absorbés et utilisés par les animaux et les plantes pour croître et fabriquer de nouvelles matières. Après leur mort, leurs corps se décomposent, libérant ces nutriments dans l'écosystème.
Lescycles des nutriments impliquent la conversion desmatériaux en différentes formes que d'autres organismes peuvent utiliser en cours de route. Dans les cycles des nutriments, les éléments sont également déplacés vers des environnements plus accessibles aux organismes vivants . Par exemple , l'azote est le gaz le plus abondant dans l'atmosphère, mais il est inerte car les organismes vivants ne peuvent pas l'utiliser à l'état gazeux. Au cours du cycle de l'azote, cependant, l'azote est converti en formes plus accessibles par les bactéries qui résident dans le sol.
Rôle des micro-organismes dans l'écosystème
Lesmicro-organismes effectuent lamajeure partie de la transformation des composés dans la plupart des cycles des nutriments. Ils font partie intégrante du cycle biogéochimique des nutriments dans le sol en interconvertissant divers composés d'azote, de carbone et d'autres éléments. Nous expliquerons plus en détail le rôle des micro-organismes lorsque nous aborderons les cycles spécifiques du carbone, de l'azote et de l'eau.
Lescycles biogéochimiques impliquent la circulation des nutriments entre les composants vivants et non vivants de l'écosystème.
Sans ces cycles (et surtout, sans les micro-organismes décomposeurs), les nutriments essentiels seraient piégés dans le sol et l'océan, et la vie cesserait d'exister.
Le cycle du carbone dans l'écosystème
Lecarbone est l'élément constitutif de toutes les formes de vie sur terre . C'est l'élément central de la fabrication de biomolécules complexes telles que les sucres, les protéines et l'ADN . Le carbone se trouve également sous laforme inorganique du dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère. LeCO2 est un gaz à effet de serre essentiel au réchauffement de la terre et au maintien d'une température propice à la vie. SansCO2, la terre serait gelée. Une trop grande quantité deCO2 dans l'atmosphère peut également être problématique, car elle peut augmenter la température moyenne au-delà de la fourchette optimale et provoquer des phénomènes météorologiques extrêmes.
Le cycle du carbone décrit l 'échange naturel d'atomes de carbone sous différentes formes entre l'atmosphère, les organismes vivants et le sol. Comme notre chère planète et son atmosphère forment un système fermé, la quantité de carbone dans ce système est toujours la même. C'est l'emplacement des atomes de carbone qui change continuellement. Le cycle du carbone comporte cinq étapes principales: Photosynthèse, décomposition, Respiration, combustion et échange.
La photosynthèse
La photosynthèse permet aux producteurs d'absorber le dioxyde de carbone de l'air et est essentielle au maintien d'un environnement oxygéné et au cycle du carbone. Ils utilisent l'eau, le dioxyde de carbone et l'énergie de la lumière du soleil pour produire des molécules organiques à haute énergie.
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes convertissent la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone en oxygène et en énergie stockée sous forme de glucose.
La photosynthèse constitue une source d'énergie pour tous les organismes vivants. Les producteurs photosynthétiques, tels que les plantes sur terre et le phytoplancton dans l'océan, se trouvent au bas de la chaîne alimentaire dans la plupart des écosystèmes, c'est pourquoi on les appelle les producteurs primaires.
Décomposition
Ladécomposition ou le pourrissement décom poseles matières organiques mortes en molécules organiques ou inorganiques plus simples telles que le dioxyde de carbone, l'eau, les sucres simples et les ions inorganiques.
La décomposition est un élément essentiel du cycle des nutriments, responsable du recyclage de la matière organique morte en nutriments que d'autres organismes vivants, généralement des plantes, peuvent réutiliser. Après la mort d'un organisme, son corps commence à se dégrader assez rapidement. Les micro-organismes décomposeurs jouent un rôle essentiel à ce stade, car ils décomposent les molécules biologiques complexes en produits plus simples . De cette façon, le carbone stocké sous forme de biomasse est restitué à l'environnement.
Lesbactéries saprotrophes peuvent être aérobies (nécessitant de l'oxygène) ou anaérobies (fonctionnant sans oxygène). Les décomposeurs aérobies libèrent les nutriments plus efficacement que les décomposeurs anaérobies, qui libèrent de grandes quantités de dioxyde de carbone et de méthane comme sous-produits.
Lessaprotrophes sont simplement des micro-organismes décomposeurs, tels que les bactéries et les champignons.
Pendant des millions d'années, les matières inorganiques mortes (qui n'ont pas été décomposées) formeront des combustibles fossiles sous l'effet de la pression et de la chaleur de la croûte terrestre. Ces combustibles fossiles servent de puits de carbone, en stockant le carbone loin de l'atmosphère.
La respiration
Lesanimaux sont incapables d'effectuer la photosynthèse. Ils dépendent donc de l'énergie qu'ils tirent de la nourriture qu'ils ingèrent par le biais de la respiration cellulaire.
Les plantes subissent également une respiration sans lumière lorsqu'elles ne peuvent pas effectuer la photosynthèse.
La respiration est la réaction opposée à la photosynthèse. Elle consiste à libérer l'énergie stockée dans le glucose en utilisant l'oxygène pour le transformer en dioxyde de carbone et en eau. Le dioxyde de carbone libéré peut alors être utilisé pour la photosynthèse.
La combustion
Lacombustion est le processus qui consiste à brûler quelque chose. La combustion et la respiration sont très similaires et impliquent toutes deux l'utilisation d'oxygène pour libérer de l'énergie et produire du dioxyde de carbone et de l'eau. Alors que le seul substrat de la respiration est le glucose, toutes les matières organiques qui contiennent du carbone peuvent subir une combustion.
En brûlant le bois coupé d'un arbre ou l'essence obtenue à partir de combustibles fossiles, le carbone qui y est stocké est libéré dans l'atmosphère. La combustion joue donc un rôle essentiel dans le cycle du carbone, même si elle est souvent inquiétante !
Les combustibles fossiles se forment très lentement, sur des milliers d'années. Mais les humains ont brûlé les combustibles fossiles beaucoup plus rapidement que leur vitesse de création. Cela a entraîné la libération dans l'atmosphère du carbone stocké depuis des milliers d'années et a contribué de manière significative au réchauffement de la planète.
Pour en savoir plus, consulte notre article sur le réchauffement climatique ici !
L'échange
Une autre étape essentielle du cycle du carbone est l'échange. Le dioxyde de carbone et l'eau circulent continuellement dans l'environnement et interagissent entre eux. LeCO2 de l'atmosphère peut se dissoudre dans les océans et former de l'acide carbonique. Ce produit du dioxyde de carbone et de l'eau est un acide faible, essentiel au maintien du pH des océans, ce qui le rend propice aux organismes marins. Si une trop grande quantité de dioxyde de carbone est libérée dans l'environnement, une plus grande quantité se dissoudra, ce qui rendra les océans plus acides. Lesorganismes qui vivent dans les océans sont sensibles au pH de l'eau, et les changements peuvent avoir un impact significatif sur la biodiversitémarine .
L'acidification des océans peut se produire lorsque le pH de l'eau de mer est trop bas. Les conditions acides mettent les organismes marins à rude épreuve et réduisent les niveaux de carbonate. D'innombrables organismes calcifiants ont besoin de ces carbonates pour construire leurs coquilles et exosquelettes calcaires, ils luttent donc pour survivre dans des conditions acides.
Le cycle de l'azote dans l'écosystème
L'azote est un élément essentiel pour les organismes vivants que l'on trouve dans l'environnement sous des formes organiques et inorganiques.
Lescomposés organiques de l'azote sont l'ADN, l'ARN, les protéines et les acides aminés.
Lescomposés inorganiques de l'azote sont l'ammoniac, les nitrates et les nitrites.
Le cycle de l'azote décrit l'échange d'azote entre diverses formes organiques et inorganiques lors de son passage entre l'atmosphère et les écosystèmesterrestres . L'interconversion des composés azotés se produit par le biais de processus biologiques et physiques. Quatre étapes principales sont impliquées dans le cycle de l'azote : la fixation de l'azote, l'ammonification, la nitrification et la dénitrification.
Fixation de l'azote
L'azote gazeux (N2) est abondamment présent dans l'atmosphère, mais il est inaccessible aux plantes et aux animaux à l'
La fixation de l'azote atmosphérique se produit pendant les éclairs. La forte énergie libérée lors d'un coup de foudre peut rompre les liaisons entre les gaz d'azote et d'oxygène et former de l'oxyde d'azote. Ce nouveau gaz peut alors se dissoudre dans l'humidité de l'air et se transformer en nitrates qui tombent avec la pluie.
La plupart des fixations d'azote sont effectuées par des bactéries spécifiques appelées diazotrophes dans le sol . Elles contiennent une enzyme spéciale appelée nitrogénase qui catalyse la réaction entre l'azote gazeux et les atomes d'hydrogène dans l'eau pour former de l'ammoniac, qui est ensuite transformé en nitrates. Certains diazotrophes vivent en symbiose dans les nodules racinaires des légumineuses. Ils fixent l'azote pour la plante et, en échange, reçoivent des hydrates de carbone de celle-ci.
Grâce à cette caractéristique, les légumineuses sont utilisées pour augmenter la teneur en azote des sols pauvres en azote.
Lesplantes utilisent les nitrates issus de la fixation de l'azote pour former des molécules biologiquescomplexes nécessaires à leur croissance. Les herbivores les mangent ensuite. De cette façon, l'azote fixé est transmis aux animaux.
Ammonification
L'azote présent dans les animaux et les plantes se trouve sous la formeorganique de molécules biologiques complexes . Lorsque ces organismes rejettent leurs déchets ou après leur mort, l'azote présent dans ces organismes sera toujours organique . Les bactéries et les champignons décomposent ces composés organiques complexes en ammonium inorganique au cours d' un processus d'ammonification.
La nitrification
Lesplantes peuvent absorber l'ammoniac mais sont incapables de le stocker . Une trop grande quantité d'ammoniac peut être toxique pour les plantes, c'est pourquoi l'ammoniac doit être transformé en nitrates pour être utilisable. Ce processus s'appelle la nitrification.
Lesbactéries nitrifiantes contiennent des enzymes qui catalysent l'oxydation de l'ammoniac en nitrites. Un autre groupe de bactéries oxyde ensuite les nitrites en nitrates. Les nitrates peuvent alors être absorbés par les plantes et utilisés pour construire des molécules organiques complexes.
Les nitratessont très solubles et forment des ions chargés négativement lorsqu'ils sont dissous dans l'eau. C'est pourquoi les nitrates peuvent pénétrer dans les eaux souterraines et atteindre les rivières ou les réservoirs d'eau potable. Les niveaux élevés de nitrates dans l'eau potable sont préoccupants car lesnitrates interfèrent avec les niveaux d'oxygène dans lesang des nouveau-nés.
Dénitrification
Alorsque la nitrification décrit l'oxydation de l'ammoniac en nitrates, la dénitrification réduit les nitrates en nitrites et finalement en azote gazeux. En faisant le contraire de la fixation de l'azote, la dénitrification complète le cycle de l'azote.
Des types spécifiques de bactéries utilisent les nitrates présents dans le sol et les transforment en azote gazeux. Ces bactéries vivent en profondeur dans le sol et favorisent les conditions anaérobies, comme les sols gorgés d'eau.
Le cycle de l'eau dans l'écosystème
L'eau est une autre matière constamment échangée entre différents états et lieux. La molécule d'eau qui tombe avec la pluie aujourd'hui peut avoir coulé dans une rivière hier ou s'être trouvée dans la calotte glaciaire de l'Arctique il y a des milliers d'années. Cela est dû au fait que l'eau est capable de changer d'état à des différences de température relativement faibles.
L'eau est essentielle à toutes les formes de vie sur terre car elle est le substrat primaire de nombreuses réactions dans les organismes vivants. Le cycle de l'eau garantit que l'eau douce est distribuée dans le monde entier afin que tous les organismes vivants puissent avoir accès à une eau saine et utilisable.
Le cycle de l'eau comporte quatre étapes principales: L'évaporation, la condensation, les précipitations et la collecte.
L'évaporation
L'évaporation décrit le passage de l'eau de l'état liquide à l'état gazeux. La chaleur du soleil fournit l'énergie nécessaire à cette transition. La vapeur d'eau est également libérée par la transpiration des plantes.
Ces vapeurs s'élèvent dans l'air et se rejoignent pour former des nuages.
La condensation
Lorsque la vapeur d'eau contenue dans l'air s'élève, elle se refroidit et se condense à nouveau sous forme liquide.
Les précipitations
Au fur et à mesure que les gouttelettes d'eau s'accumulent et fusionnent, elles deviennent plus grosses et plus lourdes. Elles commencent finalement à tomber avec la pluie ou la neige. C'est ce qu'on appelle les précipitations.
Collecte
L'eau qui tombe avec la pluie ou la neige s'écoule sur le sol et rejoint les rivières. Ou bien elle s'infiltre dans le sol et rejoint les eaux souterraines. Finalement, les rivières et les eaux souterraines s'écoulent vers les lacs et les océans, où l'eau est recueillie. Les océans gèlent dans les environnements froids tels que les pôles terrestres pour former des calottes glaciaires. Ce sont également des collections d'eau qui peuvent être libérées après avoir fondu.
L'eau peut alors s'évaporer de ces points de collecte pour compléter le cycle.
Le cycle des matières dans l'écosystème - Principaux enseignements
Le cycle des nutriments est un processus continu par lequel les matières sont recyclées et réutilisées. Ce cycle implique le passage des nutriments entre les cellules, les organismes, les communautés et les écosystèmes.
Lesmicro-organismes effectuent la majeure partie de la transformation des composés dans la plupart des cycles des nutriments.
Les trois principaux cycles des matières sont le cycle du carbone, le cycle de l'azote et le cycle de l'eau.
Le cycle du carbone comprend cinq étapes principales : la photosynthèse, la décomposition, la respiration, la combustion et l'échange .
Le cycle de l'azote peut être décomposé en quatre étapes principales : la fixation de l'azote, l'ammonification, la nitrification et la dénitrification .
Lorsque l'eau passe d'un état à l'autre et d'un endroit à l'autre, elle subit quatre phases principales : l'évaporation, la condensation, la précipitation et la collecte.
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