Environmental biology

# Environmental biology ## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l'élève sera capable de : - Définir l'écologie et ses concepts fondamentaux (écosystème, niche, habitat, population, communauté). - Identifier et expliquer les facteurs abiotiques (lumière, température, eau, sol, air) et leur influence sur les organismes vivants. - Décrire les adaptations des plantes aux habitats secs et aquatiques. - Expliquer les cycles biogéochimiques de l'eau, du carbone et de l'azote, y compris leurs étapes clés et leur importance écologique. - Analyser les interactions biotiques (compétition, prédation, mutualisme, commensalisme, parasitisme) et leurs effets sur les populations. - Construire et interpréter des chaînes alimentaires, des réseaux alimentaires et des pyramides écologiques (de nombres, de biomasse, d'énergie). - Définir la bioaccumulation et la biomagnification, expliquer leurs mécanismes et donner des exemples concrets (ex. mercure dans les poissons, DDT chez les oiseaux). - Évaluer l'impact humain sur les écosystèmes (pollution, déforestation, surexploitation, changement climatique) et proposer des mesures de conservation. - Relier les concepts de biologie environnementale aux autres thèmes du programme (cellules, échanges membranaires, variété du vivant, nutrition, transport, systèmes physiologiques). **Prérequis** : Maîtrise des notions de : - Structure et fonction des cellules (membranes plasmatiques, osmose, diffusion). - Variété du vivant (classification des organismes, royaumes). - Nutrition chez les plantes (photosynthèse, minéraux) et chez l'homme (digestion, enzymes). - Systèmes physiologiques de base (circulatoire, respiratoire, excrétoire, squelettique). - Concepts de base de la chimie (molécules, réactions, conservation de la matière). --- ## I. Review - Human impacts on the ecosystem. ### Définition et portée > L'impact humain sur l'écosystème désigne toute modification directe ou indirecte de l'environnement naturel causée par les activités humaines, pouvant altérer la structure, la fonction ou la biodiversité des écosystèmes. ### Types d'impacts 1. **Pollution** : Introduction de substances nocives (chimiques, plastiques, déchets nucléaires, bruit, lumière). - Exemple : Déversement d'hydrocarbures en mer tuant les oiseaux marins et détruisant les herbiers marins. 2. **Destruction et fragmentation des habitats** : Déforestation, urbanisation, agriculture intensive. - Exemple : Abattage des forêts tropicales du Cameroun pour l'huile de palme réduisant l'habitat des gorilles de Cross River. 3. **Surexploitation des ressources** : Surpêche, chasse illégale, coupe abusive de bois. - Exemple : Épuisement des stocks de thon dans l'Atlantique dû à la pêche industrielle non réglementée. 4. **Espèces exotiques envahissantes** : Introduction intentionnelle ou accidentnelle d'espèces non indigènes. - Exemple : Introduction du tilapia du Nil dans les lacs africains compétant avec les espèces locales. 5. **Changement climatique** : Émission de gaz à effet de serre (CO₂, CH₄) provoquant réchauffement global, élévation du niveau de la mer, acidification des océans. - Exemple : Blanchissement des coraux du fait de l'élévation de la température de l'eau de mer. ### Conséquences - Perte de biodiversité (extinction d'espèces). - Perturbation des cycles biogéochimiques (ex. excès de nitrates provoquant l'eutrophisation). - Dégradation des services écosystémiques (purification de l'eau, pollinisation, régulation du climat). - Risques pour la santé humaine (maladies liées à la pollution, insécurité alimentaire). ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Un ruisseau reçoit des eaux usées contenant des nitrates provenant d'un champ agricole. Après quelques semaines, on observe une prolifération d'algues suivie d'une mort massive de poissons. Expliquer ce phénomène. **Correction** : 1. Les nitrates (NO₃⁻) provenant des engrais agricoles sont lessivés par les pluies et atteignent le ruisseau. 2. En excès, ils agissent comme nutriments limitants pour les algues phytoplanctoniques → prolifération explosive (eutrophisation). 3. Lorsque les algues meurent, leur décomposition par les bactéries consomme beaucoup d'oxygène dissous (processus aérobie : C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O). 4. La concentration en O₂ dissous chute en dessous du seuil vital pour les poissons (généralement < 4–5 mg/L) → asphyxie et mort des poissons. > **À retenir** : L'eutrophisation est un processus d'enrichissement excessif en nutriments (souvent N et P) entraînant une prolifération algale, suivie d'une consommation d'O₂ lors de la décomposition, provoquant l'anoxie et la mort des organismes aerobes. **Exercice 2** : Une usine rejette du mercure métallique (Hg⁰) dans une rivière. Des années plus tard, on trouve des concentrations élevées de mercure méthylé (CH₃Hg⁺) dans les tissus des poissons prédateurs comme le brochet. Expliquer le mécanisme. **Correction** : 1. Le Hg⁰ inorganique est transformé par des bactéries anaérobies des sédiments en mercure méthylé (CH₃Hg⁺), forme liposoluble et hautement toxique. 2. Ce composé est absorbé par les organismes filtreurs (ex. daphnies) via l'alimentation ou l'eau → bioaccumulation dans leurs tissus (concentration interne > concentration externe). 3. Lorsqu'un petit poisson mange de nombreuses daphnies, il accumule le mercure dans ses tissus → concentration plus élevée que chez sa proie. 4. Un brochet, en mangeant beaucoup de petits poissons, accumule encore plus de mercure → biomagnification : la concentration augmente à chaque niveau trophique. > **À retenir** : La biomagnification est l'augmentation de la concentration d'une substance toxique (souvent liposoluble et persistante) à chaque niveau trophique supérieur d'une chaîne alimentaire, due à l'assimilation efficace et à l'excrétion lente. --- ## II. Review - Human impacts on the ecosystem. (Révision approfondie) ### Analyse critique des impacts Cette seconde revue approfondit les mécanismes systémiques des impacts humains, en mettant l'accent sur les rétroactions et les seuils critiques. #### Seuils critiques et basculements > Un seuil critique (ou point de basculement) est un niveau de pression environnementale au-delà duquel un écosystème subit un changement abrupt, souvent irréversible, vers un nouvel état stable moins favorable à la biodiversité ou aux services écosystémiques. - Exemple : Dans un lac, dépasser un certain taux de charge en phosphore peut déclencher un passage irréversible d'un état clair (dominé par les macrophytes) à un état trouble (dominé par les algues phytoplanctoniques), même si la charge en phosphore est réduite ensuite. - Exemple : La déforestation au-delà de 30–40 % de couverture forestière dans un bassin versant peut réduire drastiquement l'infiltration et augmenter le ruissellement, provoquant des inondations plus fréquentes et sévères, indépendamment des précipitations. #### Approche du cycle de vie et empreinte écologique - L'**empreinte écologique** mesure la surface biologiquement productive nécessaire pour produire les ressources consommées par une population et absorber ses déchets, sachant que la technologie et les ressources sont celles en vigueur. - Une empreinte écologique supérieure à la biocapacité de la Terre indique un dépassement du seuil de durabilité globale. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 3** : Un bassin versant perd 50 % de sa couverture forestière en 10 ans à cause de l'agriculture itinérante sur brûlis. Expliquer deux conséquences hydrologiques directes. **Correction** : 1. **Réduction de l'infiltration** : Les racines des arbres créent des macropores dans le sol qui facilitent l'entrée de l'eau de pluie. Leur disparition réduit la capacité du sol à absorber l'eau → augmentation du ruissellement superficiel. 2. **Augmentation de l'érosion** : Sans couverture végétale, l'impact direct des gouttes de pluie détache les particules de sol. Le ruissellement accru transporte ces sédiments vers les cours d'eau → augmentation de la turbidité et sédimentation dans les rivières et réservoirs. > **À retenir** : La déforestation réduit l'infiltration et augmente l'érosion des sols, modifiant profondément le régime hydrologique d'un bassin versant en faveur du ruissellement au détriment de la recharge des nappes phréatiques. **Exercice 4** : Comparer l'impact écologique de deux scénarios de production d'énergie : une centrale au charbon vs. un parc éolien de même puissance installée, sur 20 ans. **Correction** : | Critère | Centrale au charbon | Parc éolien | |------------------------|-----------------------------------------------|---------------------------------------------| | Émissions CO₂ | Élevées (~800–1000 g CO₂/kWh) | Très faibles (fabrication, installation, démantèlement) | | Polluants atmosphériques | SO₂, NOₓ, particules fines, mercure | Négligeables | | Eau utilisée | Forte (refroidissement) | Très faible | | Impact sur sol/biodiversité | Local (cendres, drainage acide) | Local (fondations, risque collision oiseaux/chauves-souris) | | Déchets | Cendres volantes et de fond (toxiques) | Composites de pales (difficile à recycler) | > **À retenir** : Bien que les énergies renouvelables aient des impacts locaux (matériaux, biodiversité), leur empreinte carbone et leur pollution atmosphérique sont nettement inférieures à celles des énergies fossiles sur l'ensemble du cycle de vie. --- ## III. Revision for GCE ### Stratégies de révision pour l'examen GCE Ordinary Level > Pour réussir l'épreuve de Biologie au GCE Ordinary Level, l'élève doit maîtriser les définitions clés, savoir interpréter des schémas (cycles, chaînes alimentaires, pyramides), résoudre des problèmes quantitatifs simples (ex. calcul de pourcentage d'énergie transférée) et appliquer les concepts à des situations nouvelles. #### Conseils méthodologiques - **Définitions** : Apprendre les définitions officielles du programme (ex. écosystème, niche, producteur primaire, consommateur secondaire). - **Schémas** : Savoir légender un schéma du cycle de l'eau, du carbone ou de l'azote ; identifier les niveaux trophiques dans une chaîne alimentaire. - **Calculs** : Maîtriser la règle de trois pour calculer les pertes d'énergie entre niveaux trophiques (généralement ~10 % transférés). - **Documents** : Savoir extraire des informations d'un texte, d'un tableau ou d'un graphique (ex. évolution d'une population, concentration d'un polluant). - **Rédaction** : Structurer les réponses en phrases complètes, utiliser le vocabulaire scientifique correct, donner un exemple précis lorsqu'on le demande. #### Exercices types GCE corrigés **Exercice 5** : Définir « producteur primaire » et donner deux exemples dans un écosystème de savane camerounaise. **Correction** : > Un producteur primaire est un organisme autotrophe qui synthétise sa propre matière organique à partir de substances minérales (CO₂, H₂O, sels minéraux) grâce à l'énergie lumineuse (photosynthèse) ou chimique (chimiosynthèse). - Exemple 1 : Herbes hautes (ex. *Pennisetum purpureum*) – photosynthèse. - Exemple 2 : Arbres éparses (ex. *Vitellaria paradoxa* – karité) – photosynthèse. > **À retenir** : Les producteurs primaires forment la base de toutes les chaînes alimentaires ; ils convertissent l'énergie inorganique (lumière) en énergie chimique stockée dans la matière organique. **Exercice 6** : Dans une chaîne alimentaire : herbe → sauterelle → lézard → faucon, si l'herbe produit 10 000 kJ d'énergie par m² par an, quelle énergie est théoriquement disponible pour le faucon ? Montrer le calcul. **Correction** : - Transfert d'énergie entre niveaux trophiques : environ 10 % de l'énergie disponible est transférée au niveau suivant (90 % perdue sous forme de chaleur, de déchets non digérés, de métabolisme). - Niveau 1 (herbe) : 10 000 kJ - Niveau 2 (sauterelle) : 10 000 × 0,10 = 1 000 kJ - Niveau 3 (lézard) : 1 000 × 0,10 = 100 kJ - Niveau 4 (faucon) : 100 × 0,10 = 10 kJ > **À retenir** : Seulement environ 10 % de l'énergie stockée au niveau trophique n est transférée au niveau n+1 ; cela explique pourquoi les chaînes alimentaires raramente dépassent 4 ou 5 niveaux. --- ## IV. Notion of environmental Biology and Ecological concepts. ### Définition de l'écologie > L'écologie est la science qui étudie les interactions entre les organismes vivants et leur environnement, comprenant les facteurs abiotiques (non vivants) et biotiques (vivants), à différents niveaux d'organisation : organisme, population, communauté, écosystème, biome, biosphère. ### Niveaux d'organisation écologique | Niveau | Définition | |---------------------|----------------------------------------------------------------------------| | Organisme | Un individu vivant (ex. un arbre, un lion). | | Population | Groupe d'individus de la même espèce vivant dans la même zone au même moment (ex. tous les crocodiles du fleuve Sanaga). | | Communauté | Ensemble des populations de différentes espèces interagissant dans une même zone (ex. toutes les espèces d'un étang : poissons, insectes, plantes, bactéries). | | Écosystème | Communauté + son environnement abiotique (ex. un lac avec son eau, ses sédiments, son climat local). | | Biome | Grand ensemble d'écosystèmes partageant un climat similaire et des types de végétation dominants (ex. forêt tropicale humide, savane). | | Biosphère | Ensemble de toutes les zones de la Terre où la vie existe (croûte terrestre, hydrosphère, basse atmosphère). | ### Concepts clés - **Niche écologique** : Le rôle fonctionnel d'un organisme dans son écosystème, incluant son habitat, son mode de vie, ses interactions alimentaires et ses besoins abiotiques. Deux espèces ne peuvent pas occuper exactement la même niche dans le même habitat (principe d'exclusion compétitive de Gause). - **Habitat** : L'endroit physique où un organisme vit (ex. le tronc d'un arbre pour un insecte xylophage). - **Adaptation** : Caracteristique héritée qui augmente la survie et la reproduction d'un organisme dans un environnement donné. - **Équilibre dynamique** : État où les fluctuations des populations autour d'une moyenne sont dues à des facteurs régulateurs (densité-dépendants ou indépendants), mais sans tendance à long terme à l'augmentation ou à la diminution. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 7** : Définir « niche écologique » et expliquer pourquoi deux espèces d'oiseaux insectivores peuvent coexister dans la même forêt sans compétition directe. **Correction** : > La niche écologique d'un organisme est l'ensemble des conditions abiotiques et biotiques auxquelles il est adapté, ainsi que son rôle fonctionnel dans l'écosystème (ce qu'il mange, ce qui le mange, comment il se reproduit, etc.). - Deux espèces d'oiseaux insectivores peuvent coexister si elles exploitent des niches différentes : par exemple, l'une cherche sa nourriture dans la canopée supérieure (ex. *Tyrannus tyrannus*), l'autre dans le sous-bois ou sur le tronc des arbres (ex. *Certhia familiaris*), ou elles sont actives à des moments différents (une diurne, l'autre crépusculaire), ou elles consomment des types d'insectes différents (une préfère les coléoptères, l'autre les lépidoptères). > **À retenir** : La coexistence d'espèces similaires est possible grâce à la différenciation de niche (partition des ressources), réduisant ainsi la compétition directe pour les mêmes ressources limitées. **Exercice 8** : Classer les suivants comme facteur abiotique ou biotique : lumière du soleil, température de l'air, présence de prédateurs, pH du sol, concentration d'oxygène dissous, maladie fongique sur les feuilles. **Correction** : | Facteur | Abiotique ou Biotique ? | |----------------------------------|--------------------------| | Lumière du soleil | Abiotique | | Température de l'air | Abiotique | | Présence de prédateurs | Biotique | | pH du sol | Abiotique | | Concentration d'oxygène dissous | Abiotique | | Maladie fongique sur les feuilles| Biotique | > **À retenir** : Les facteurs abiotiques sont les composants non vivants de l'environnement (physico-chimiques) ; les facteurs biotiques sont tous les organismes vivants et leurs interactions (alimentaires, compétitives, symbiotiques, pathogènes). --- ## V. Ecological factors ### Facteurs abiotiques > Les facteurs abiotiques sont les composants non vivants de l'environnement qui influencent la survie, la croissance, la reproduction et la répartition des organismes vivants. #### Lumière - **Rôle** : Source d'énergie pour la photosynthèse ; régule les rythmes circadiens (activité, reproduction) ; influence la température. - **Variation** : Intensité, durée (photopériode), qualité (longueur d'onde). - **Adaptations** : - Plantes d'ombre : feuilles grandes, fines, riche en chlorophylle b (ex. bégonia). - Plantes de plein soleil : feuilles petites, épaisses, cuticule épaisse, pigments protecteurs (ex. caroténoïdes) (ex. cactus). > **À retenir** : La photopériode (durée du jour) est un signal clé pour la floraison chez de nombreuses plantes (ex. plantes longues-jours : tournesol ; plantes courtes-jours : riz). #### Température - **Rôle** : Influence la vitesse des réactions biochimiques (loi d'Arrhenius : vitesse réaction ∝ e^(-Ea/RT)) ; détermine les limites géographiques des espèces. - **Adaptations** : - Poikilothermes : température interne varie avec l'environnement (ex. poissons, reptiles, insectes). - Homéothermes : maintiennent une température interne constante (ex. oiseaux, mammifères) via métabolisme élevé, isolation (poils, plumes), sudation, halètement. - Plantes : acclimatation (modification de la composition des membranes lipidiques pour maintenir la fluidité), production de protéines de choc thermique. > **À retenir** : Chaque espèce possède une plage de température optimale pour ses fonctions vitales ; en dehors de cette plage, les performances déclinent (léthargie, dénaturation des protéines, mort). #### Eau - **Rôle** : Solvant universel, milieu des réactions biochimiques, composant majeur des cellules (~70 % de la masse fraîche), nécessaire à la photosynthèse et à la turgescence cellulaire. - **Adaptations à la sécheresse** : - Réduction de la surface foliaire (aiguilles chez les pins). - Épaississement de la cuticule et présence de cires. - Stomates enfoncés ou rares (ex. plantes xerophytes comme le baobab). - Métabolisme CAM (ouverture des stomates la nuit pour fixer le CO₂ sous forme d'acide malique, libération le jour pour la photosynthèse) (ex. ananas, certaines orchidées). > **À retenir** : Le métabolisme CAM permet aux plantes des milieux arides de fixer le carbone la nuit, réduisant ainsi la perte d'eau par transpiration tout en permettant la photosynthèse le jour. #### Sol - **Composants** : Minéraux (sable, limon, argile), matière organique, eau, air, organismes vivants. - **Propriétés importantes** : - pH : influence la disponibilité des nutriments (ex. fer, manganèse moins disponibles à pH élevé). - Capacité d'échange cationique (CEC) : capacité du sol à retenir les ions nutritifs (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, NH₄⁺). - Texture : influence la rétention d'eau et l'aération (les sols argileux retiennent plus d'eau mais sont moins aérés que les sols sableux). > **À retenir** : Un sol fertile possède une bonne structure, une matière organique suffisante (>2–3 %), un pH adapté aux plantes cultivées (souvent 6,0–7,5 pour beaucoup de cultures), et une bonne CEC. #### Air et gaz atmosphériques - **Oxygène (O₂)** : Nécessaire à la respiration aérobie. - **Dioxyde de carbone (CO₂)** : Substrat de la photosynthèse ; sa concentration atmosphérique actuelle (~420 ppm) limite parfois la photosynthèse en C3. - **Polluants** : Ozone troposphérique (O₃), dioxyde de soufre (SO₂), oxydes d'azote (NOₓ) peuvent endommager les tissus végétaux (nécrose foliaire, réduction de la photosynthèse). ### Facteurs biotiques > Les facteurs biotiques sont tous les organismes vivants et leurs interactions qui influencent la survie, la croissance et la répartition d'une espèce donnée. #### Types d'interactions | Interaction | Effet sur espèce A | Effet sur espèce B | Exemple | |-------------------|--------------------|--------------------|------------------------------------------| | Compétition | – | – | Deux espèces de graminées pour l'azote du sol | | Predation | + | – | Lion mangeant un zèbre | | Mutualisme | + | + | Abeille fleurissant une plante (nectar ↔ pollinisation) | | Commensalisme | + | 0 | Orchidée poussant sur un arbre (support uniquement) | | Parasitisme | + | – | Ver solitaire chez l'homme (nutriments) | | Amensalisme | – | 0 | Pénicilline produite par un champignon inhibant la croissance bactérienne | > **À retenir** : Dans une interaction mutualiste, les deux espèces bénéficient ; dans le commensalisme, une bénéficie et l'autre n'est ni aidée ni pénalisée ; dans le parasitisme, le parasite bénéficie au détriment de l'hôte. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 9** : Une plante pousse bien à l'ombre d'un arbre mais meurt lorsqu'elle est exposée au plein soleil. Quel facteur abiotique explique cela ? Proposer une adaptation possible. **Correction** : - Facteur abiotique : **Intensité lumineuse élevée** (rayonnement solaire direct). - Adaptation possible : La plante est une **espèce sciaphile** (d'ombre) ; elle possède des feuilles grandes et fines avec un faible nombre de couches de cellules palissadiques pour maximiser la capture de lumière faible, mais cette structure est vulnérable à la photo-inhibition et à la déshydratation sous forte lumière. > **À retenir** : Les plantes d'ombre sont souvent inadaptées au plein soleil car leur appareil photosynthétique est optimisé pour faible intensité lumineuse ; une exposition soudaine à forte lumière peut endommager le photosystème II par production excessive d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). **Exercice 10** : Expliquer pourquoi l'azote atmosphérique (N₂) n'est pas directement utilisable par la plupart des plantes, malgré son abondance (78 % de l'air). **Correction** : - La molécule d'azote atmosphérique (N≡N) possède un lien triple extrêmement fort (énergie de dissociation ~941 kJ/mol), rendant sa rupture très énergivore. - La plupart des plantes n'ont pas l'enzyme **nitrogénase**, nécessaire pour réduire le N₂ en ammoniac (NH₃) : N₂ + 3H₂ → 2NH₃. - Seuls certains procaryotes (bactéries libres comme *Azotobacter*, ou symbiotes comme les *Rhizobium* dans les nodules des légumineuses) possèdent cette enzyme, fonctionnant en conditions anaérobies (protection par légoglobuline dans les nodules). - Les plantes absorbent l'azote sous forme d'ions nitrate (NO₃⁻) ou ammonium (NH₄⁺) provenant de la minéralisation de la matière organique ou de la fixation bactérienne. > **À retenir** : La fixation biologique de l'azote est réalisée exclusivement par des procaryotes possédant la nitrogénase ; elle convertit le N₂ atmosphérique en formes minérales assimilables par les plantes (NH₄⁺, puis NO₃⁻ après nitrification). --- ## VI. Effects of abiotic factors- light and temperature. ### Lumière : effets détaillés #### Sur la photosynthèse - La vitesse de la photosynthèse augmente avec l'intensité lumineuse jusqu'à un point de saturation (I_sat), au-delà duquel elle ne augmente plus (limitée par la capacité enzymatique du cycle de Calvin ou la disponibilité en CO₂). - En faible lumière, la vitesse est limitée par la quantité de photons capturés (phase lumineuse). - Point de compensation lumineuse (I_c) : intensité où la quantité de CO₂ fixée en photosynthèse égale celle libérée en respiration → croissance nulle nette. > **À retenir** : Le point de compensation lumineuse est l'intensité lumineuse à laquelle la photosynthèse nette est nulle ; en dessous de ce point, la plante consomme plus de carbone qu'elle ne produit. #### Sur la morphogenèse - **Étiolation** : croissance en hauteur rapide, tiges faibles, feuilles petites et pâles, en l'absence de lumière (ex. germes de pomme de terre dans l'obscurité). - **Photomorphogenèse** : développement normal sous lumière (expansion foliaire, synthèse de chlorophylle, inhibition de l'étiolation) médiée par des photorécepteurs (phytochromes pour la lumière rouge/loin-rouge, cryptochromes pour la lumière bleue-UVA). > **À retenir** : La photomorphogenèse est le développement normal d'une plante sous l'influence de la lumière, contrairement à l'étiolation qui se produit dans l'obscurité. ### Température : effets détaillés #### Sur les enzymes - La vitesse d'une réaction enzymatique augmente avec la température (environ double pour chaque hausse de 10°C dans la plage physiologique) jusqu'à un optimum (T_opt). - Au-delà de T_opt, la vitesse diminue rapidement en raison de la dénaturation de l'enzyme (perte de structure tertiaire). > **À retenir** : Chaque enzyme possède une température optimale (T_opt) où son activité catalytique est maximale ; au-delà, la dénaturation thermique irréversible réduit son activité. #### Sur la répartition géographique - Les espèces sont limitées par leurs limites de température minimale (T_min) et maximale (T_max) pour la croissance et la reproduction. - Exemple : Les cocotiers ne poussent pas naturellement au-delà d'environ 25° de latitude nord/sud car ils nécessitent une température moyenne annuelle >20°C et ne tolèrent pas le gel. > **À retenir** : La répartition géographique des espèces est souvent déterminée par leurs seuils de tolérance thermique, particulièrement les températures minimales hivernales et maximales estivales. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 11** : Une expérience mesure la vitesse de photosynthèse d'une feuille de haricot en fonction de l'intensité lumineuse. À 50 µmol photons·m⁻²·s⁻¹, la vitesse est 5 µmol CO₂·m⁻²·s⁻¹ ; à 200 µmol·m⁻²·s⁻¹, elle est 15 µmol·m⁻²·s⁻¹ ; à 800 µmol·m⁻²·s⁻¹, elle reste 15 µmol·m⁻²·s⁻¹. Déterminer I_sat et I_c approximativement. **Correction** : - I_sat (intensité de saturation) : la vitesse ne augmente plus au-delà de 200 µmol·m⁻²·s⁻¹ → I_sat ≈ 200 µmol photons·m⁻²·s⁻¹. - I_c (point de compensation) : on estime par extrapolation linéaire de la partie faible lumière. - Entre 0 et 50 µmol : vitesse de 0 à 5 µmol → pente = 5/50 = 0,1 µmol CO₂ / (µmol photons). - Pour vitesse = 0 : intensité = 0 – (0 / 0,1) = 0 → mais on sait qu'il y a une respiration de base. - Meilleure approche : à 50 µmol, vitesse nette = 5 µmol → cela inclut la photosynthèse brute moins la respiration. - Supposons respiration constante R. Alors : Photosynthèse brute = Vitesse nette + R. - À I_sat, vitesse nette = 15 µmol → Photosynthèse brute = 15 + R. - En faible lumière, on suppose que la photosynthèse brute est proportionnelle à I : P_brute = αI. - Alors : Vitesse nette = αI – R. - À I=50 : 5 = α×50 – R - À I=200 : 15 = α×200 – R - Soustraire : 10 = α×150 → α = 10/150 = 1/15 ≈ 0,0667 µmol CO₂ / (µmol photons) - Alors : 5 = (1/15)×50 – R → 5 = 10/3 – R → R = 10/3 – 5 = (10–15)/3 = –5/3 → attente, erreur de signe. - Reprise : Vitesse nette = P_brute – R = αI – R - 5 = α×50 – R ...(1) - 15 = α×200 – R ...(2) - (2)–(1) : 10 = α×150 → α = 10/150 = 1/15 - Dans (1) : 5 = (1/15)×50 – R = 10/3 – R → R = 10/3 – 5 = 10/3 – 15/3 = –5/3 → négatif ? Impossible. - Erreur : la vitesse nette ne peut pas être négative ici, mais le calcul donne R négatif → signifie que notre modèle linéaire P_brute = αI est trop simple ou que les données ne sont pas parfaitement linéaires à faible I. - Approche pratique : on trace Vitesse nette vs I ; on prolonge la pente linéaire de la partie faible jusqu'à couper l'axe des I (vitesse nette=0). - De (0, ?) à (50, 5) : pente = 5/50 = 0,1 - Équation : V = 0,1I + b ; en I=50, V=5 → 5 = 0,1×50 + b → 5 = 5 + b → b=0 → donc V=0,1I - Alors I_c : V=0 → 0=0,1I → I=0 → mais cela impliquerait aucune respiration, ce qui est faux. - En réalité, à I=0, V = –R (respiration seulement). - Donc on ne peut pas déterminer I_c précisément sans connaître R. - Cependant, si on suppose que la relation est linéaire de 0 à I_sat, alors I_c = –b/α, mais ici b=0 → I_c=0, ce qui est irréaliste. - Conclusion : les données suggèrent un I_sat ≈ 200 µmol·m⁻²·s⁻¹ ; I_c est très faible (près de 0) si l'on néglige la respiration, mais en réalité, pour une feuille de haricot, I_c est généralement entre 5 et 20 µmol·m⁻²·s⁻¹. - Réponse attendue au GCE : I_sat ≈ 200 µmol photons·m⁻²·s⁻¹ ; I_c est faible (à déterminer graphiquement, mais ici on peut dire qu'il est inférieur à 50 µmol·m⁻²·s⁻¹). > **À retenir** : Le point de saturation lumineuse (I_sat) est l'intensité au-delà de laquelle la vitesse de photosynthèse n'augmente plus ; le point de compensation lumineuse (I_c) est l'intensité où la photosynthèse nette est nulle (photosynthèse brute = respiration). **Exercice 12** : Expliquer pourquoi une augmentation de la température de 25°C à 35°C peut doubler la vitesse d'une réaction enzymatique, mais une augmentation de 35°C à 45°C peut la réduire de moitié. **Correction** : - Dans la plage physiologique (souvent jusqu'à ~40°C pour beaucoup d'enzymes), la vitesse de réaction augmente approximativement de moitié à doubler pour chaque hausse de 10°C (règle du Q₁₀ ≈ 2). - De 25°C à 35°C : hausse de 10°C → vitesse multipliée par Q₁₀ ≈ 2 → doublée. - Au-delà de la température optimale (T_opt), la dénaturation thermique de l'enzyme s'accélère : la perte de structure tertiaire rend le site actif non fonctionnel. - La vitesse observée dépend de l'équilibre entre l'augmentation cinétique et la perte d'enzyme active. - Si T_opt est autour de 35–40°C, alors de 35°C à 45°C, la dénaturation domine : la fraction d'enzyme active diminue fortement, réduisant la vitesse globale malgré l'augmentation cinétique résiduelle. > **À retenir** : Le coefficient Q₁₀ mesure l'effet de la température sur la vitesse d'une réaction biologique (Q₁₀ = vitesse à T+10 / vitesse à T) ; pour beaucoup de processus enzymatiques, Q₁₀ ≈ 2 dans la plage physiologique, mais au-delà de T_opt, la dénaturation provoque une baisse rapide de l'activité. ---