Écologie de l'eau

Définition

L'écologie de l'eau traite de l'écologie appliquée à l'eau, eau douce ou eau salée. Elle intègre des études sur la qualité de l'eau, la transition écologique, le pic écologique de l'eau, les changements de cette ressource naturelle. Cette écologie spécifique s'intègre dans l'écologie globale.

L'écologie de l'eau étudie les écosystèmes aquatiques :

Les interactions des écosystèmes aquatiques avec du milieu terrestre lacustre sont étudiées par l'écologie de l'eau.

Explications

L'écologie est l'étude scientifique de la manière dont les organismes interagissent les uns avec les autres et avec leur environnement. Cela inclut les relations entre les individus de la même espèce, entre les différentes espèces et entre les organismes et leurs environnements physiques et chimiques.

L'écologie aquatique comprend l'étude de ces relations dans tous les milieux aquatiques, y compris les océans, les estuaires, les lacs, les étangs, les zones humides, les rivières et les ruisseaux, ou encore les milieux humides.

L'écosystème aquatique

Un écosystème est une communauté d'organismes vivants et de leur environnement physique et chimique, liés par des flux d'énergie et de nutriments. Les écosystèmes fonctionnent comme une unité écologique distincte et peuvent être définis à diverses échelles. Par exemple, le bassin d'une rivière peut être considéré comme un écosystème, tout comme un petit étang, une mare ou la planète entière. Les limites d'un écosystème aquatique sont quelque peu arbitraires, mais englobent généralement un système dans lequel les entrées et les sorties peuvent être estimées. Les écologistes des écosystèmes aquatiques étudient comment les nutriments, l'énergie et l'eau circulent dans un écosystème.

Les caractéristiques physiques des habitats aquatiques affectent les types d'organismes qui s'y trouvent. Les organismes vivants dans un environnement particulier sont directement affectés par les caractéristiques environnementales telles que les concentrations de nutriments, la température, le débit d'eau et les abris. Seuls les organismes capables de survivre dans les conditions d'un habitat particulier et d'utiliser les ressources disponibles y prospéreront. Les interactions entre les organismes vivants affectent également le type d'organismes présents dans un écosystème aquatique, car la compétition pour les ressources (par exemple : nourriture, habitat) et la prédation affectent l'abondance et la diversité des espèces. À leur tour, les organismes vivants dans un environnement peuvent influencer certains aspects de leur environnement (par exemple, les barrages de castors peuvent modifier les débits d'eau).

Comprendre les composants de base des écosystèmes aquatiques et l'interaction entre les organismes vivants et leur environnement peut conduire à une meilleure gestion des impacts humains sur ces systèmes.

La vie dans les écosystèmes aquatiques

Les organismes vivant dans les écosystèmes aquatiques dépendent des ressources de leur environnement. Les communautés biologiques - y compris les types d'animaux présents et leur abondance relative - sont également façonnées par les interactions avec d'autres organismes. Les relations entre les organismes vivants et la relation des êtres vivants avec leur environnement font partie de l'étude écologique de l'eau :

• les éléments constitutifs de la vie;
• l'énergie et l'alimentation;
• les chaînes alimentaires et les réseaux trophiques;
• la biomasse et sa production.

Les éléments constitutifs de la vie aquatique

Tous les organismes vivants ont besoin d'eau, d'énergie, de carbone, de nutriments et d'oxygène pour rester en vie, grandir et se reproduire. Les organismes vivants diffèrent par leurs exigences spécifiques (par exemple, par stade de vie ou par activité) et par les processus qu'ils utilisent pour sécuriser ces éléments essentiels.

• L'eau : Les organismes vivants sont principalement composés d'eau et ne peuvent pas fonctionner sans elle, bien que les stades de repos de certains organismes puissent survivre avec très peu. Dans les habitats aquatiques, l'eau est une source d'oxygène (l'oxygène dissous) et de nourriture (par exemple : particules de matière organique en suspension dans l'eau).
• L'énergie : Presque toute l'énergie utilisée par les organismes provient, directement ou indirectement, du soleil; l'exception comprend certaines bactéries qui tirent leur énergie de sources chimiques (par exemple : en oxydant des composés inorganiques comme le sulfure). Les plantes utilisent l'énergie du soleil pour fabriquer une gamme de sucres par le processus chimique de la photosynthèse. Lorsque les animaux mangent des plantes, ils utilisent l'énergie "fixée" par la plante. Les organismes qui ne peuvent pas fabriquer leur propre nourriture en utilisant l'énergie du soleil doivent consommer d'autres organismes pour obtenir du carbone, de l'énergie et des nutriments.
• Le carbone : Le carbone est un élément constitutif des sucres, des protéines et des graisses qui composent les tissus de tous les organismes. Dans les plantes, le dioxyde de carbone et l'eau, ainsi que l'énergie dérivée de la lumière du soleil, sont incorporés dans les molécules de sucre pendant la photosynthèse. Les sucres sont stockés dans le corps de la plante sous forme d'amidon, mais peuvent être combinés avec d'autres produits chimiques pour former différents types de molécules (comme les protéines). Un diagramme schématique du cycle du carbone est présenté à droite.
• Les nutriments : L'azote et le phosphore sont les nutriments les plus importants pour la croissance des algues et des plantes aquatiques, car ils sont souvent rares par rapport aux besoins de ces organismes. D'autres nutriments, tels que le potassium, le fer, le soufre et le sélénium, sont également nécessaires, bien qu'ils soient généralement abondants par rapport à la quantité dont les algues et les plantes ont besoin.
  Dans les milieux aquatiques, les éléments nutritifs proviennent de l'érosion des minéraux et des sols dans le bassin, de la matière organique ou des apports humains. L'ajout de nutriments aux systèmes aquatiques - par exemple, provenant de la production industrielle, des eaux usées ou du ruissellement agricole - peut avoir des impacts majeurs sur les systèmes aquatiques, conduisant parfois à l'eutrophisation (excès de nutriments conduisant à une croissance excessive des plantes).
• L'Oxygène : L'oxygène est une exigence de base pour la plupart des organismes, bien que certains micro-organismes puissent se développer (ou même nécessiter) des environnements sans oxygène, tandis que d'autres peuvent tolérer des niveaux très bas. Les organismes qui passent toute leur vie dans l'eau "respirent" l'oxygène dissous dans l'eau (voir l'oxygène dissous).

L'énergie et l'alimentation dans l'eau

Chaque organisme doit acquérir de l'énergie pour vivre, grandir et se reproduire. En écologie aquatique, les biologistes classent souvent les organismes selon la façon dont ils obtiennent de l'énergie. Parce que la lumière du soleil est la source ultime d'énergie utilisée par les organismes à la surface de la terre, une distinction fondamentale se situe entre ceux qui utilisent son énergie directement - les autotrophes - et ceux qui la reçoivent indirectement en consommant d'autres organismes - les hétérotrophes.

• Les autotrophes : Les autotrophes, ou producteurs, sont des organismes capables de fabriquer leur propre matière organique à partir de sources inorganiques. La plupart des autotrophes effectuent ce processus en utilisant la photosynthèse, le processus par lequel les plantes et les algues utilisent l'énergie solaire pour combiner le dioxyde de carbone avec de l'eau afin de produire de l'amidon, des sucres et de l'oxygène. La photosynthèse est le processus biologique le plus important de la planète et ses produits stimulent l'activité biologique de presque tous les écosystèmes, y compris les milieux aquatiques. L'oxygène produit est disponible pour être utilisé par d'autres organismes, faisant de la photosynthèse un contrôleur important du dioxyde de carbone et de l'oxygène dans l'environnement.

  La photosynthèse dans les systèmes aquatiques est réalisée par une grande variété d'autotrophes, dont la taille varie des organismes microscopiques unicellulaires aux grandes plantes aquatiques appelées macrophytes. Les autotrophes sont des producteurs primaires, car ils produisent le premier niveau de carbone organique à partir de composés inorganiques. En fin de compte, tous les autres types d'organismes (hétérotrophes) dépendent du carbone organique produit par les autotrophes

  Parce que la photosynthèse dépend de la lumière du soleil, la distribution des autotrophes dépend en partie de la quantité de lumière disponible dans un écosystème aquatique. Dans les rivières peu profondes et pierreuses, le périphyton (ou biofilm) - en particulier les diatomées et les cyanobactéries - est la principale source de production primaire, mais l'ombre de la végétation riveraine peut limiter la photosynthèse; les nutriments peuvent également être rares dans ces habitats. Dans les rivières plus larges, l'ombrage réduit de la végétation riveraine permet à la surface de la rivière de recevoir plus de lumière. Cependant, dans les sections profondes ou troubles, la pénétration de la lumière peut être insuffisante pour soutenir la croissance des autotrophes.

• Les hétérotrophes : Les hétérotrophes, ou consommateurs, sont des organismes qui doivent obtenir de l'énergie en consommant d'autres organismes (autotrophes ou autres hétérotrophes) comme nourriture. Du point de vue des flux d'énergie dans les systèmes écologiques, les hétérotrophes peuvent être classés en fonction de ce qu'ils mangent :
  • Les herbivores sont appelés consommateurs primaires car ils ne mangent que des plantes.
  • Les carnivores sont appelés consommateurs secondaires car ils se nourrissent d'autres animaux.
  • Les omnivores se nourrissent à la fois d'autotrophes et d'autres hétérotrophes; c'est-à-dire qu'ils mangent à la fois des plantes et des animaux. De nombreux organismes aquatiques, y compris les poissons, sont omnivores.
  • Les détritivores consomment de la matière organique morte (détritus). Les détritivores comprennent de nombreuses bactéries et champignons, des invertébrés tels que les vers et les insectes, et certains vertébrés charognards. Les insectes aquatiques, par exemple, déchiquettent les feuilles mortes, mais consomment également des bactéries et des champignons qui poussent sur les feuilles.

  Les hétérotrophes peuvent également être classés selon la façon dont ils obtiennent l'énergie alimentaire (c'est-à-dire les groupes d'alimentation fonctionnels) et selon leurs rôles spécifiques dans l'écosystème aquatique :

  • La catégorie des brouteurs comprend les herbivores qui se nourrissent de périphyton et de biofilm. Les déchiqueteurs sont des détritivores qui se nourrissent de particules organiques grossières, en particulier de la litière de feuilles provenant de la zone riveraine.
  • Les collecteurs mangent de fines particules organiques et peuvent être subdivisés selon que les particules alimentaires qu'ils collectent sont en suspension dans l'eau (par exemple, les filtres-collecteurs ou les filtreurs), ou ont été déposées sur le substrat (collecteurs-collecteurs).
  • Les déposivores ingèrent de fins sédiments de fond et la matière organique qu'ils contiennent.
  • Les prédateurs sont des espèces qui mangent d'autres animaux.

Les chaînes alimentaires aquatiques et leurs réseaux trophiques

L'énergie et la matière produites par les plantes et autres autotrophes sont distribuées à d'autres organismes dans un écosystème par des voies connues sous le nom de chaînes alimentaires et de réseaux trophiques.

Une chaîne alimentaire est un simple lien entre les producteurs et les consommateurs grâce à des relations d'alimentation. Par exemple, lorsqu'un petit poisson mange un insecte aquatique et qu'un poisson plus gros mange le petit poisson, les deux poissons et l'insecte sont liés dans une chaîne alimentaire.

Les réseaux trophiques sont plus complexes et consistent en un réseau de chaînes alimentaires liées. Les organismes consomment et sont couramment consommés par plus d'un autre type d'organisme. Chaque organisme a des préférences et des modes d'alimentation caractéristiques et peut lui-même être la proie d'autres consommateurs. Les réseaux trophiques relient les autotrophes, au niveau d'alimentation le plus bas, aux herbivores (consommateurs primaires) puis à divers carnivores (consommateurs secondaires). Une vue simplifiée d'un réseau trophique dans un ruisseau boisé est présentée à droite. Le concept de réseaux trophiques est également démontré dans la fonction interactive des proies-prédateurs.

Le niveau trophique est la position d'un organisme dans la chaîne alimentaire telle que déterminée par le nombre d'étapes de transfert d'énergie nécessaires pour atteindre ce niveau. Un poisson qui a consommé un insecte, qui lui-même vient de consommer des algues, est à un niveau trophique plus élevé que l'insecte.

Dans les rivières, comme dans la plupart des autres systèmes aquatiques et terrestres, l'énergie à la base d'un réseau trophique provient de l'énergie solaire fixée par les plantes (par photosynthèse) poussant dans l'eau ou sur terre.

L'énergie dérivée des plantes terrestres pénètre dans l'eau sous forme de parties végétales, telles que feuilles ou brindilles, ou sous forme de matière organique dissoute. Ce matériau est utilisé comme source d'énergie par des micro-organismes tels que les champignons et les bactéries, et par les invertébrés. Les plantes de la rivière sont également importantes dans les réseaux trophiques - les algues microscopiques sont souvent consommées de leur vivant, tandis que les plantes aquatiques plus grosses entrent principalement dans les chaînes alimentaires après leur mort.

Les interactions en cascade se produisent dans les réseaux trophiques lorsqu'un groupe d'organismes affecte indirectement un autre groupe, en se nourrissant d'animaux qui mangent l'autre groupe. Par exemple, lorsque les prédateurs consomment des herbivores, les plantes que les herbivores auraient autrement consommées se multiplient. En raison des interactions complexes, la modification de la structure d'un réseau trophique en introduisant ou en supprimant des espèces peut avoir des résultats imprévisibles. Cependant, examiner les écosystèmes en termes de chaînes et de réseaux alimentaires peut nous aider à comprendre comment l'introduction ou le retrait d'espèces a un impact sur l'environnement.

La biomasse aquatique et sa production

Les organismes utilisent l'énergie pour maintenir les fonctions biologiques et pour permettre la croissance et la reproduction. La matière organique produite par les autotrophes et les hétérotrophes, en plus de ce dont ils ont besoin pour maintenir la vie, ajoute à la biomasse totale de l'écosystème. La biomasse dans un écosystème comprend la masse de toute la matière organique vivante et morte. La production est l'augmentation progressive de la biomasse produite par les organismes sur une période de temps. Les estimations de la biomasse et de la production sont une mesure qui peut être utilisée pour évaluer la santé des écosystèmes aquatiques.

La production primaire fait référence à la production de matière organique, comme les tissus corporels, produite principalement par des plantes photosynthétiques. Elle est exprimé en taux de production de biomasse; par exemple, la quantité de bois produite chaque année.

La production secondaire est l'assimilation de matière organique et la construction de tissus par des hétérotrophes, et peut impliquer des animaux mangeant des plantes, des animaux mangeant d'autres animaux ou des micro-organismes décomposant des organismes morts pour obtenir les ressources (matière, énergie, nutriments) nécessaires à la production de biomasse. La production secondaire est également exprimée en taux de production de biomasse, comme la quantité de viande produite par le bétail au pâturage chaque année.

Dans un environnement productif, les tissus végétaux ou animaux vivants s'accumulent avec le temps. La biomasse est la quantité de cette matière accumulée à un moment donné, tandis que la production est le taux d'augmentation dans la biomasse totale. Dans un système fluvial, la biomasse peut être perdue par l'exportation (comme le transport en aval de la biomasse) ou obtenue par l'importation d'autres systèmes (comme les feuilles tombant dans un ruisseau).

Les estimations de la biomasse et de la production peuvent être appliquées à diverses échelles spatiales et à des groupes d'organismes larges ou étroits, tels que tous les organismes d'un lac, tous les poissons d'un lac ou tous les invertébrés de ce lac. La production est souvent difficile à estimer, car elle nécessite, entre autres, des mesures précises de la biomasse répétées à intervalles réguliers sur une longue période.

Une biomasse élevée n'implique pas nécessairement une production élevée et vice versa. Par exemple, la biomasse du plancton dans un plan d'eau peut être faible, mais comme le plancton croît et se reproduit rapidement, la population de plancton peut se remplacer assez rapidement car elle a un taux de production élevé.

Les populations de gros poissons à longue durée de vie représentent une biomasse beaucoup plus importante que le plancton; cependant, le taux de production des gros poissons peut être beaucoup plus faible. La rapidité avec laquelle le matériau vivant peut se remplacer est mesurée par le rapport production/biomasse. Ce ratio est élevé pour le plancton (production élevée, faible biomasse) et relativement faible pour les poissons (faible production, biomasse élevée), et fournit une meilleure indication du transfert d'énergie entre les niveaux trophiques que les mesures instantanées de la biomasse.

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