Le monde vivant : Écosystèmes

AP Sciences environnementales · Sujet 1

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1.1

Introduction aux écosystèmes

Programme

Compréhension durable (ERT-1) : Les écosystèmes sont le résultat d'interactions biotiques et abiotiques.

Objectif d'apprentissage ERT-1.A : Expliquer comment la disponibilité des ressources influence les interactions entre espèces.

ERT-1.A.1 Dans une relation prédateur-proie, le prédateur est un organisme qui mange un autre organisme (la proie).
ERT-1.A.2 La symbiose est une interaction étroite et de longue durée entre deux espèces dans un écosystème. Les types de symbiose incluent la mutualisme, le commensalisme et le parasitisme.
ERT-1.A.3 La compétition peut se produire au sein ou entre espèces dans un écosystème où les ressources sont limitées. La partition des ressources — utiliser les ressources de manières, lieux ou moments différents — peut réduire l'impact négatif de la compétition sur la survie.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un écosystème 生态系统 est l'ensemble des êtres vivants (biotiques) et non vivants (abiotiques) d'une zone, interagissant ensemble. Les organismes dépendent les uns des autres et de leur environnement physique, et des interactions telles que la prédation 捕食, la compétition 竞争 et la symbiose 共生 (mutualisme, commensalisme, parasitisme) structurent la communauté.

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Explorez comment une population croît

Modifiez le taux de croissance $r$ et la capacité de charge $K$. La croissance est rapide lorsque la population est petite, puis elle se stabilise à mesure que les ressources viennent à manquer et que l'écosystème se remplit.

1.2

Biomes terrestres

Programme

Compréhension durable (ERT-1) : Les écosystèmes sont le résultat d'interactions biotiques et abiotiques.

Objectif d'apprentissage ERT-1.B : Décrire la distribution mondiale et les principaux aspects environnementaux des biomes terrestres.

ERT-1.B.1 Un biome contient des communautés caractéristiques de plantes et d'animaux qui résultent de son climat et y sont adaptées.
ERT-1.B.2 Les grands biomes terrestres incluent la taïga, les forêts pluviales tempérées, les forêts saisonnières tempérées, les forêts tropicales humides, les landes, les prairies tempérées, la savane, le désert et la toundra.
ERT-1.B.3 La distribution mondiale des ressources naturelles terrestres non minérales, telles que l'eau et les arbres destinés à la construction, varie en raison d'une combinaison de climat, géographie, latitude et altitude, disponibilité des nutriments et sol.
ERT-1.B.4 La distribution mondiale des biomes est dynamique ; elle a changé dans le passé et pourrait à nouveau se déplacer en raison des changements climatiques mondiaux.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un biome 生物群系 est une vaste région définie par son climat et sa vie caractéristique. Les biomes terrestres (déserts, prairies, forêts tropicales pluviales, forêts tempérées, taïga, toundra) sont déterminés principalement par la température et les précipitations 降水. Chacun possède des plantes et des animaux adaptés à ces conditions.

Les deux images ci-dessous se situent aux extrémités opposées de l'échelle des précipitations, ce qui explique pourquoi leur vie semble si différente :

Une forêt tropicale brumeuse avec un canopy vert dense et stratifié sur des collines escarpées — Une forêt tropicale 热带雨林 : chaude et humide toute l'année, offrant une végétation dense et stratifiée ainsi que la plus grande biodiversité de tous les biomes terrestres

Un désert sec de dunes de sable nu avec presque aucune plante — Un désert 沙漠 : très faibles précipitations, seul survit une vie rare adaptée à la sécheresse

Vocabulaire Entrainer

Anglais	Chinois	Pinyin
ecosystem/ˈiːkəʊsɪstəm/	生态系统	shēng tài xì tǒng
predation/prɪˈdeɪʃn/	捕食	bǔ shí
competition/ˌkɒmpəˈtɪʃn/	竞争	jìng zhēng
symbiosis/ˌsɪmbaɪˈəʊsɪs/	共生	gòng shēng
biome/ˈbaɪəʊm/	生物群系	shēng wù qún xì
temperature and precipitation/ˈtemprɪtʃə ænd prɪˌsɪpɪˈteɪʃn/	降水	jiàng shuǐ
tropical rainforest/ˈtrɒpɪkl ˈreɪnfɒrɪst/	热带雨林	rè dài yǔ lín
desert/ˈdezət/	沙漠	shā mò
salinity/seɪˈlɪnɪti/	盐度	yán dù
Estuaries/ˈestjuːəriz/	河口	hé kǒu

1.3

Biomes aquatiques

Programme

Compréhension durable (ERT-1) : Les écosystèmes sont le résultat d'interactions biotiques et abiotiques.

Objectif d'apprentissage ERT-1.C : Décrire la distribution mondiale et les principaux aspects environnementaux des biomes aquatiques.

ERT-1.C.1 Les biomes d'eau douce incluent les ruisseaux, les rivières, les étangs et les lacs. Ces biomes d'eau douce constituent une ressource vitale pour l'eau potable.
ERT-1.C.2 Les biomes marins incluent les océans, les récifs coralliens, les marais et les estuaires. Les algues dans les biomes marins fournissent une grande partie de l'oxygène de la Terre et absorbent également le dioxyde de carbone de l'atmosphère.
ERT-1.C.3 La distribution mondiale des ressources naturelles marines non minérales, telles que les différents types de poissons, varie en raison d'une combinaison de salinité, profondeur, turbidité, disponibilité des nutriments et température.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Les biomes aquatiques couvrent plus de la Terre que les terres. Les systèmes d'eau douce (rivières, lacs, zones humides) et marins (océan ouvert, récifs coralliens, estuaires) diffèrent par leur salinité 盐度, leur lumière et leurs nutriments. Les estuaires 河口 (où les rivières rencontrent la mer) et les récifs coralliens sont particulièrement productifs et riches en biodiversité.

Vue sous-marine d'un récif corallien juste sous la surface de la mer, couvert de coraux — Un récif corallien 珊瑚礁 : l'eau chaude, éclairée par le soleil et peu profonde en fait l'un des biomes les plus productifs et les plus diversifiés au monde

Vocabulaire Entrainer

Anglais	Chinois	Pinyin
coral reef/ˈkɒrəl riːf/	珊瑚礁	shān hú jiāo

1.4

Le cycle du carbone

Programme

Compréhension durable (ERT-1) : Les écosystèmes sont le résultat d'interactions biotiques et abiotiques.

Objectif d'apprentissage ERT-1.D : Expliquer les étapes et les interactions entre réservoirs dans le cycle du carbone.

ERT-1.D.1 Le cycle du carbone est le mouvement des atomes et des molécules contenant l'élément carbone entre les sources et les puits.
ERT-1.D.2 Certains des réservoirs dans lesquels les composés du carbone se trouvent dans le cycle du carbone retiennent ces composés pendant de longues périodes, tandis que d'autres les retiennent pendant des périodes relativement courtes.
ERT-1.D.3 Le carbone circule entre la photosynthèse et la respiration cellulaire chez les êtres vivants.
ERT-1.D.4 La décomposition des plantes et des animaux a conduit au stockage du carbone sur des millions d'années. La combustion des combustibles fossiles transfère rapidement ce carbone stocké vers le carbone atmosphérique, sous forme de dioxyde de carbone.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

*Le cycle du carbone

Le cycle du carbone 碳循环 déplace le carbone entre l'atmosphère, les organismes, les océans et les roches. La photosynthèse retire $\text{CO}_2$ ; la respiration, la décomposition et la combustion des combustibles fossiles 化石燃料 le restituent. La combustion des combustibles fossiles ajoute du carbone bien plus vite que les processus naturels ne l'enlèvent.

*Le cycle du carbone déplace le carbone entre l'atmosphère, les êtres vivants et les combustibles fossiles

Vocabulaire Entrainer

Anglais	Chinois	Pinyin
carbon cycle/ˈkɑːbən ˈsaɪkl/	碳循环	tàn xún huán
fossil fuels/ˈfɒsl ˈfjuːəlz/	化石燃料	huà shí rán liào

1.5

Le cycle de l'azote

Programme

Compréhension durable (ERT-1) : Les écosystèmes sont le résultat d'interactions biotiques et abiotiques.

Objectif d'apprentissage ERT-1.E : Expliquer les étapes et les interactions entre réservoirs dans le cycle de l'azote.

ERT-1.E.1 Le cycle de l'azote est le mouvement des atomes et des molécules contenant l'élément azote entre les sources et les puits.
ERT-1.E.2 La plupart des réservoirs dans lesquels les composés de l'azote se trouvent dans le cycle de l'azote retiennent ces composés pendant des périodes relativement courtes.
ERT-1.E.3 La fixation de l'azote est le processus par lequel l'azote atmosphérique est converti en une forme d'azote (principalement l'ammoniac) disponible pour l'absorption par les plantes et qui peut être synthétisée en tissus végétaux.
ERT-1.E.4 L'atmosphère est le principal réservoir d'azote.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

*Le cycle de l'azote

Le cycle de l'azote 氮rend l'azote utilisable pour la vie. La fixation de l'azote 固氮 (par les bactéries) convertit l'$\text{N}_2$ atmosphérique en ammoniac ; la nitrification et l'assimilation le transmettent aux organismes ; la dénitrification renvoie $\text{N}_2$ dans l'air. Les engrais ajoutent de l'azote réactif, ce qui peut polluer l'eau.

Le cycle de l'azote : N est fixé en nitrates dans le sol, transmis via la chaîne alimentaire et retourné dans l'air par la dénitrification *Le cycle de l'azote : N$_2$ est fixé en nitrates du sol, transmis via la chaîne alimentaire et retourné dans l'air par dénitrification

Vocabulaire Entrainer

Anglais	Chinois	Pinyin
nitrogen cycle/ˈnaɪtrədʒn ˈsaɪkl/	氮循环	dàn xún huán
Nitrogen fixation/ˈnaɪtrədʒn fɪkˈseɪʃn/	固氮	gù dàn

1.6

Le cycle du phosphore

Programme

Compréhension durable (ERT-1) : Les écosystèmes sont le résultat d'interactions biotiques et abiotiques.

Objectif d'apprentissage ERT-1.F : Expliquer les étapes et les interactions entre réservoirs dans le cycle du phosphore.

ERT-1.F.1 Le cycle du phosphore est le mouvement des atomes et des molécules contenant l'élément phosphore entre les sources et les puits.
ERT-1.F.2 Les principaux réservoirs de phosphore dans le cycle du phosphore sont les roches et les sédiments contenant des minéraux riches en phosphore.
ERT-1.F.3 Il n'y a pas de composante atmosphérique dans le cycle du phosphore, et les limitations que cela impose au retour du phosphore de l'océan vers les terres font que le phosphore est naturellement rare dans les écosystèmes aquatiques et beaucoup d'écosystèmes terrestres. Dans les écosystèmes non perturbés, le phosphore est le facteur limitant des systèmes biologiques.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Le cycle du phosphore 磷循环 ne comprend aucune étape atmosphérique (gazeuse) – le phosphore circule à travers les roches, le sol, l'eau et les organismes. Il est lent et constitue souvent le nutriment limitant 限制性营养 pour la croissance, de sorte que l'ajout de phosphore (engrais, détergents) peut provoquer des proliférations algales.

*Le cycle du phosphore : la roche s'érode en phosphate du sol et sédimente lentement, sans phase gazeuse

Vocabulaire Entrainer

Anglais	Chinois	Pinyin
phosphorus cycle/ˈfɒsfɔːrəs ˈsaɪkl/	磷循环	lín xún huán
limiting nutrient/ˈlɪmɪtɪŋ ˈnjuːtrɪənt/	限制性营养	xiàn zhì xìng yíng yǎng

1.7

Le cycle hydrologique (du cycle de l'eau)

Programme

Compréhension durable (ERT-1) : Les écosystèmes sont le résultat d'interactions biotiques et abiotiques.

Objectif d'apprentissage ERT-1.G : Expliquer les étapes et les interactions entre réservoirs dans le cycle hydrologique.

ERT-1.G.1 Le cycle hydrologique, alimenté par le soleil, est le mouvement de l'eau dans ses divers états solide, liquide et gazeux entre les sources et les puits.
ERT-1.G.2 Les océans constituent le principal réservoir d'eau à la surface de la Terre, les calottes glaciaires et les eaux souterraines agissant comme des réservoirs beaucoup plus petits.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

*Le cycle hydrologique (du cycle de l'eau)

Le cycle de l'eau 水循环 déplace l'eau par évaporation 蒸发, transpiration 蒸腾 (des plantes), condensation, précipitations et ruissellement. Il distribue l'eau douce et façonne le climat ; l'utilisation humaine et les changements d'aménagement du territoire peuvent modifier son écoulement.

*Le cycle de l'eau : évaporation et transpiration élèvent l'eau vers l'air ; précipitations et ruissellement la retournent

Vocabulaire Entrainer

Anglais	Chinois	Pinyin
water cycle/ˈwɔːtə ˈsaɪkl/	水循环	shuǐ xún huán
evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/	蒸发	zhēng fā
transpiration/trænspəˈreɪʃn/	蒸腾	zhēng téng
Primary productivity/ˈpraɪməri ˌprɒdəkˈtɪvɪti/	初级生产力	chū jí shēng chǎn lì
trophic levels/ˈtrəʊfɪk ˈlevlz/	营养级	yíng yǎng jí
producers/prəˈdjuːsəz/	生产者	shēng chǎn zhě
primary, secondary, and tertiary consumers/ˈpraɪməri ˈsekəndəri ænd ˈtɜːʃjəri kənˈsuːməz/	消费者	xiāo fèi zhě
decomposers/ˌdiːkəmˈpəʊzəz/	分解者	fēn jiě zhě
food chain/fuːd tʃeɪn/	食物链	shí wù liàn

1.8

Productivité primaire

Programme

Compréhension durable (ENG-1) : L'énergie peut être convertie d'une forme à une autre.

Objectif d'apprentissage ENG-1.A : Expliquer comment l'énergie solaire est acquise et transférée par les organismes vivants.

ENG-1.A.1 La productivité primaire est le taux auquel l'énergie solaire (lumière du soleil) est convertie en composés organiques via la photosynthèse sur une unité de temps.
ENG-1.A.2 La productivité primaire brute est le taux total de photosynthèse dans une zone donnée.
ENG-1.A.3 La productivité primaire nette est le taux de stockage d'énergie par les photoautotrophes dans une zone donnée, après soustraction de l'énergie perdue par la respiration.
ENG-1.A.4 La productivité est mesurée en unités d'énergie par unité de surface par unité de temps (par exemple, $\text{kcal/m}^2\text{/yr}$).
ENG-1.A.5 La majeure partie de la lumière rouge est absorbée dans les premiers 1 m d'eau, et la lumière bleue ne pénètre qu'à plus de 100 m dans l'eau la plus claire. Cela affecte la photosynthèse dans les écosystèmes aquatiques, dont les photoautotrophes ont développé des mécanismes d'adaptation pour pallier le manque de lumière visible.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La productivité primaire 初级生产力 est le taux auquel les producteurs captent l'énergie (généralement par photosynthèse). La productivité primaire brute (PPB/GPP) est le total capté ; la productivité primaire nette (PPN/NPP) est ce qui reste après la propre respiration des producteurs – l'énergie disponible pour le reste de l'écosystème. Les systèmes chauds, humides et ensoleillés (forêts tropicales, récifs) sont les plus productifs.

Exemple résolu. Si les producteurs d'une prairie capturent $20{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ d'énergie (PPB) et brûlent $8{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ dans leur propre respiration, alors $\text{NPP}=\text{GPP}-R=20{,}000-8{,}000=12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$. Seule cette PPN – et non la PPB totale – est disponible pour les consommateurs situés au-dessus.

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Explorez la production primaire brute (PPB), la respiration et la production nette primaire (PNP)

L'énergie capturée par les producteurs (PPB) se divise en ce qu'ils brûlent pour leur propre respiration $R$ et en ce qui reste sous forme de nouvelle biomasse — $\text{NPP} = \text{GPP} - R$, et utile + gaspillé est toujours égal à l'entrée.

1.9

Niveaux trophiques

Programme

Compréhension durable (ENG-1) : L'énergie peut être convertie d'une forme à une autre.

Objectif d'apprentissage ENG-1.B : Expliquer comment l'énergie circule et la matière passe à travers les niveaux trophiques.

ENG-1.B.1 Tous les écosystèmes dépendent d'un apport continu d'énergie de haute qualité afin de maintenir leur structure et leur fonction de transfert de matière entre l'environnement et les organismes via les cycles biogéochimiques.
ENG-1.B.2 Les cycles biogéochimiques sont essentiels à la vie et chaque cycle démontre la conservation de la matière.
ENG-1.B.3 Dans les communautés terrestres et marines de surface, l'énergie circule du soleil vers les producteurs aux niveaux trophiques inférieurs, puis vers les niveaux trophiques supérieurs.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Flux d'énergie & la règle des 10%

Les organismes occupent des niveaux trophiques 营养级 : les producteurs 生产者 (qui fabriquent leur propre nourriture), puis les consommateurs primaires, secondaires et tertiaires, avec les décomposeurs 分解者 recyclant les nutriments à chaque niveau. Chaque niveau dépend de l'énergie capturée en dessous.

1.10

Flux d'énergie et la règle des 10 %

Programme

Compréhension durable (ENG-1) : L'énergie peut être convertie d'une forme à une autre.

Objectif d'apprentissage ENG-1.C : Déterminer comment l'énergie diminue lorsqu'elle circule à travers les écosystèmes.

ENG-1.C.1 La règle des 10 % approxime qu'au cours du transfert d'énergie d'un niveau trophique au suivant, environ 10 % de l'énergie est transmise.
ENG-1.C.2 La perte d'énergie qui se produit lorsque l'énergie passe des niveaux trophiques inférieurs aux supérieurs peut s'expliquer par les lois de la thermodynamique.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

L'énergie circule dans un sens unique à travers un écosystème et est perdue sous forme de chaleur à chaque transfert. La règle des 10 % : seulement environ 10 % de l'énergie d'un niveau trophique passe au suivant ; les 90 % restants alimentent les processus vitaux et s'échappent sous forme de chaleur. C'est pourquoi les chaînes alimentaires sont courtes et les prédateurs supérieurs rares.

Exemple résolu. En continuant à partir de $12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ de PPN au niveau des producteurs, les consommateurs primaires reçoivent environ $10\%=1{,}200\ \text{kcal}$, les consommateurs secondaires $\approx120\ \text{kcal}$, et les consommateurs tertiaires seulement $\approx12\ \text{kcal}$. Après trois transferts, l'énergie a été divisée par mille – c'est la raison arithmétique pour laquelle un quatrième ou cinquième niveau trophique ne dispose généralement pas assez d'énergie pour se maintenir.

Une pyramide d'énergie : seulement environ 10 % de l'énergie passe au niveau trophique suivant *Pyramide énergétique : seulement environ 10 % de l'énergie passe au niveau trophique suivant

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Explorez la règle des 10 %

Définissez l'énergie que les producteurs capturent et l'efficacité écologique, puis observez qu'environ un dixième seulement passe à chaque niveau supérieur — c'est pourquoi le prédateur apical dispose de si peu d'énergie et pourquoi les chaînes alimentaires restent courtes.

1.11

Chaînes alimentaires et réseaux trophiques

Programme

Compréhension durable (ENG-1) : L'énergie peut être convertie d'une forme à une autre.

Objectif d'apprentissage ENG-1.D : Décrire les chaînes alimentaires et les réseaux trophiques, ainsi que leurs membres constitutifs par niveau trophique.

ENG-1.D.1 Un réseau trophique est un modèle d'un motif entrelacé de chaînes alimentaires qui représente le flux d'énergie et de nutriments dans deux chaînes alimentaires ou plus.
ENG-1.D.2 Les boucles de rétroaction positive et négative peuvent chacune jouer un rôle dans les réseaux trophiques. Lorsqu'une espèce est retirée ou ajoutée à un réseau trophique spécifique, le reste du réseau peut être affecté.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Une chaîne alimentaire 食物链 est une ligne unique de qui mange qui ; un réseau trophique 食物网 relie plusieurs chaînes pour donner une image réaliste des relations alimentaires. Comme les espèces sont interconnectées, supprimer une espèce (en particulier une espèce clé 关键种) peut perturber tout le réseau.

Un réseau alimentaire relie de nombreuses chaînes alimentaires ; les flèches indiquent le sens du flux d'énergie *Réseau trophique reliant de nombreuses chaînes alimentaires ; les flèches indiquent la direction du flux d'énergie

Vocabulaire Entrainer

Anglais	Chinois	Pinyin
food web/fuːd web/	食物网	shí wù wǎng
keystone species/ˈkiːstəʊn ˈspiːsiːz/	关键种	guān jiàn zhǒng

1.11

Conseils d'examen

Rappelez-vous que l'énergie circule et est perdue (règle des 10 %) tandis que la matière circule (carbone, azote, phosphore, eau).
Appliquez la règle des 10 % le long d'une chaîne alimentaire et sachez que PPN = PPB − respiration (seule la PPN est disponible pour les consommateurs).
Apprenez les stocks de chaque cycle biogéochimique et comment les humains le perturbent (la combustion des combustibles fossiles ajoute du CO₂ ; les engrais ajoutent de l'azote/phosphore).
Les producteurs sont les plus abondants car si peu d'énergie atteint le sommet.
Utilisez les bonnes unités et montrez votre calcul sur les questions de mathématiques à réponse libre (sans calculatrice – gardez les nombres arrondis).

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