Consommation de la matière organique et flux d'énergie — Cours SVT Bac Agro

Dans le programme du Bac Agro

Coefficient 5 en Bac Sciences Agronomiques, à égalité avec les Sciences des Plantes et Animaux et la Physique-Chimie. Ce chapitre relie la biochimie cellulaire au fonctionnement d'un agrosystème : rendement d'une culture, alimentation du bétail, productivité d'un élevage s'interprètent avec la notion de flux d'énergie.

À l'épreuve

Exercice de biologie sur documents : localiser et nommer les étapes de la respiration à partir d'un schéma de mitochondrie, comparer respiration et fermentation (bilan d'ATP), calculer un rendement énergétique, et exploiter une pyramide ou un diagramme de flux d'énergie dans une chaîne alimentaire agricole.

Objectifs d'apprentissage

Situer et nommer les étapes de la respiration cellulaire (glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire)
Écrire le bilan de l'oxydation du glucose et comparer respiration et fermentations
Calculer le rendement énergétique de la respiration
Décrire le flux d'énergie dans un agrosystème et la déperdition entre niveaux trophiques
Relier rendement écologique et productivité agricole

Notions clés

Respiration cellulaire

Oxydation complète du glucose : glycolyse (cytoplasme, glucose → 2 pyruvate), cycle de Krebs (matrice mitochondriale, décarboxylations), chaîne respiratoire (membrane interne, réoxydation des transporteurs, phosphorylation oxydative par l'ATP synthase). Bilan :

C_6H_{12}O_6+6\,O_2\to 6\,CO_2+6\,H_2O

, ≈ 36–38 ATP par glucose.

Fermentations

En anaérobiose, le pyruvate est réduit sans dioxygène : fermentation lactique (→ acide lactique) ou alcoolique (→ éthanol + CO₂). Le glucose n'est que partiellement dégradé : rendement faible (2 ATP par glucose).

Flux d'énergie dans un agrosystème

Les producteurs primaires (plantes) captent l'énergie lumineuse ; elle transite ensuite vers les consommateurs. À chaque niveau trophique, une grande part est dissipée en chaleur : le rendement écologique est de l'ordre de 10 %, d'où des pyramides d'énergie et un nombre limité de maillons.

Erreurs fréquentes

Confondre respiration (accepteur final d'électrons = O₂) et fermentation (accepteur final = molécule organique).

Croire que la fermentation fournit autant d'ATP que la respiration : elle en fournit environ 20 fois moins.

Oublier qu'à chaque transfert dans une chaîne alimentaire, l'énergie se dégrade (chaleur) et ne peut pas être recyclée.

Exemple corrigé

Énoncé

L'oxydation complète d'une mole de glucose libère environ

2\,840\ \text{kJ}

. La cellule en tire environ 38 ATP, et l'hydrolyse d'un ATP libère

\approx 30{,}5\ \text{kJ/mol}

. Calculer le rendement énergétique de la respiration.

Correction

Énergie récupérée sous forme d'ATP.

E_{ATP}=38\times30{,}5\approx 1\,159\ \text{kJ}

Rendement.

\rho=\dfrac{E_{ATP}}{E_{glucose}}=\dfrac{1\,159}{2\,840}\approx 0{,}41

, soit environ

41\ \%

Interprétation. Les

\approx 59\ \%

restants sont dissipés sous forme de chaleur — ce qui contribue au maintien de la température corporelle chez les animaux d'élevage.

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Exercice 1

Facile

Écrire l'équation bilan de la respiration cellulaire du glucose.

Voir la correction

C_6H_{12}O_6+6\,O_2\longrightarrow 6\,CO_2+6\,H_2O

(+ énergie récupérée sous forme d'ATP et de chaleur).

Exercice 2

Moyen

La respiration produit ≈ 38 ATP par mole de glucose, la fermentation lactique seulement 2. Quel pourcentage de l'ATP « respiratoire » la fermentation fournit-elle ? Justifier ce faible rendement.

Voir la correction

\dfrac{2}{38}\approx 0{,}053

, soit

\approx 5{,}3\ \%

. La fermentation est incomplète : le glucose n'est pas totalement oxydé (l'acide lactique ou l'éthanol contiennent encore beaucoup d'énergie), et il n'y a ni cycle de Krebs ni chaîne respiratoire.

Exercice 3

Difficile

Dans une prairie, les producteurs primaires fixent

20\,000\ \text{kJ·m}^{-2}\text{·an}^{-1}

. En admettant un rendement écologique de

10\ \%

par niveau, estimer l'énergie disponible pour les consommateurs de 2ᵉ ordre (carnivores) et commenter.

Voir la correction

Herbivores (consommateurs de 1er ordre) :

20\,000\times0{,}10=2\,000\ \text{kJ·m}^{-2}\text{·an}^{-1}

. Carnivores (consommateurs de 2ᵉ ordre) :

2\,000\times0{,}10=200\ \text{kJ·m}^{-2}\text{·an}^{-1}

. La forte déperdition d'énergie (90 % à chaque niveau) explique que les chaînes alimentaires comptent rarement plus de 4 à 5 maillons, et qu'un élevage produise moins de biomasse consommable qu'une culture végétale sur la même surface.

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Questions fréquentes

Quelle différence entre respiration et fermentation ?

La respiration utilise le dioxygène comme accepteur final d'électrons et oxyde complètement le glucose (≈ 38 ATP). La fermentation se déroule sans dioxygène, ne dégrade que partiellement le glucose et ne fournit que 2 ATP.

Pourquoi la fermentation a-t-elle un si faible rendement ?

Parce que le glucose n'est pas complètement oxydé : les produits finaux (acide lactique, éthanol) renferment encore une grande partie de l'énergie de départ, et les étapes les plus rentables (cycle de Krebs, chaîne respiratoire) ne fonctionnent pas.

Pourquoi l'énergie diminue-t-elle le long d'une chaîne alimentaire ?

À chaque niveau, les organismes utilisent l'essentiel de l'énergie assimilée pour leur propre respiration (dissipée en chaleur) et n'en stockent qu'une faible fraction dans leur biomasse : environ 10 % seulement passe au niveau suivant.