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6.2 : Notes de préparation de l'enseignant de Trophic Webs - Biologie


Aperçu

Dans cette activité, les élèves analysent la production et l'utilisation de molécules organiques dans les écosystèmes. Les élèves construisent un réseau trophique pour le parc national de Yellowstone, comprenant des producteurs, des consommateurs primaires, des consommateurs secondaires, des décomposeurs et des omnivores trophiques. Ensuite, les étudiants analysent une cascade trophique résultant de la réintroduction des loups à Yellowstone.

Les élèves apprennent comment les atomes de carbone et l'énergie se déplacent dans les écosystèmes en raison des relations trophiques dans les réseaux trophiques, la photosynthèse, la biosynthèse et la respiration cellulaire. Cela fournit la base pour comprendre les cycles du carbone et les flux d'énergie à travers les écosystèmes. Dans la dernière section, les élèves utilisent ces concepts et le raisonnement quantitatif pour comprendre les pyramides trophiques.

Buts d'apprentissage

Objectifs d'apprentissage liés aux normes scientifiques de nouvelle génération

Les élèves acquerront une compréhension Idée de base disciplinaire LS2.B, Cycles de la matière et transfert d'énergie dans les écosystèmes :

"Les réseaux trophiques sont des modèles qui démontrent comment la matière et l'énergie sont transférées entre les producteurs, les consommateurs et les décomposeurs lorsque les trois groupes interagissent au sein d'un écosystème."

« Les plantes ou les algues forment le niveau le plus bas du réseau trophique. À chaque maillon ascendant d'un réseau trophique, seule une petite fraction de la matière consommée au niveau inférieur est transférée vers le haut, pour produire de la croissance et libérer de l'énergie dans la respiration cellulaire au niveau supérieur. Compte tenu de cette inefficacité, il y a généralement moins d'organismes aux niveaux supérieurs d'un réseau trophique. Une partie de la matière réagit pour libérer de l'énergie pour les fonctions vitales, une partie de la matière est stockée dans des structures nouvellement créées et une grande partie est rejetée. Les éléments chimiques qui composent les molécules des organismes traversent les réseaux trophiques et entrent et sortent de l'atmosphère et du sol, et ils sont combinés et recombinés de différentes manières. À chaque maillon d'un écosystème, la matière et l'énergie sont conservées.

"La photosynthèse et la respiration cellulaire sont des composants importants du cycle du carbone, dans lequel le carbone est échangé entre la biosphère, l'atmosphère, les océans et la géosphère par le biais de processus chimiques, physiques, géologiques et biologiques."

Les élèves participeront à plusieurs Pratiques scientifiques:

  • « Construire des explications » (sections I-V)
  • « Élaboration et utilisation de modèles » (sections II-V)
  • « Analyse et interprétation des données » (sections II et V)
  • « Utiliser les mathématiques et la pensée informatique » (section V)

Les Concept transversal, « Énergie et matière : flux, cycles et conservation » est le thème central des sections III-V de cette activité.

Cette activité permet de préparer les élèves à la Attentes de rendement:

  • MS-LS2-3. "Développer un modèle pour décrire le cycle de la matière et le flux d'énergie entre les parties vivantes et non vivantes d'un écosystème."
  • HS-LS2-4. « Utilisez une représentation mathématique pour étayer les affirmations concernant le cycle de la matière et le flux d'énergie entre les organismes d'un écosystème. »
  • HS-LS2-5. "Développer un modèle pour illustrer le rôle de la photosynthèse et de la respiration cellulaire dans le cycle du carbone entre la biosphère, l'atmosphère, l'hydrosphère et la géosphère."

Objectifs d'apprentissage de contenu spécifiques

  • UNE producteur est un organisme qui produit toutes ses propres molécules organiques à partir de petites molécules inorganiques, alors qu'un consommateur est un organisme qui consomme des molécules organiques produites par d'autres organismes.
  • Les consommateurs peuvent être divisés en consommateurs primaires (herbivores) qui mangent les producteurs, décomposeurs qui consomment de la matière organique morte, consommateurs secondaires qui consomment des consommateurs primaires ou des décomposeurs, consommateurs tertiaires qui consomment des consommateurs secondaires, et omnivores trophiques qui consomment des organismes à plus d'un niveau trophique.
  • Dans un relation trophique, un organisme consomme des molécules organiques d'un autre organisme (ou un décomposeur consomme des molécules organiques de matière organique morte). UNE chaîne alimentaire montre une séquence simple de relations trophiques (par exemple, producteur → consommateur primaire → consommateur secondaire). UNE nourriture Internet montre les multiples relations trophiques complexes entre les organismes d'un écosystème.
  • Un réseau trophique comprend généralement à la fois un réseau alimentaire vert qui commence avec les producteurs et un chaîne alimentaire brune qui commence par la matière organique morte. Certains organismes aux niveaux trophiques supérieurs appartiennent à la fois aux réseaux trophiques vert et brun. Les décomposeurs et les réseaux trophiques bruns sont essentiels pour éviter une accumulation excessive de matière organique morte.
  • Comprendre un réseau trophique peut nous aider à comprendre comment les changements dans la taille de la population d'un organisme peuvent influencer la taille de la population d'un autre organisme dans un écosystème. Par exemple, un cascade trophique peut se produire lorsqu'une augmentation d'une population de prédateurs entraîne une diminution d'une population d'herbivores qui à son tour entraîne une augmentation de la croissance des plantes.
  • Plusieurs processus contribuent au mouvement des atomes de carbone et de l'énergie dans les écosystèmes. Les molécules organiques contiennent à la fois des atomes de carbone et de l'énergie chimique, de sorte que les atomes de carbone et l'énergie se déplacent ensemble lorsqu'un consommateur mange des molécules organiques ou lorsqu'un organisme meurt et devient de la matière organique morte.
  • Photosynthèse, respiration cellulaire, et biosynthèse contribuent également au mouvement des atomes de carbone et aux transformations énergétiques dans les écosystèmes. Par exemple, lors de la photosynthèse, l'énergie lumineuse est utilisée pour incorporer les atomes de carbone du CO2 en molécules organiques à haute énergie chimique.
  • La photosynthèse, la respiration cellulaire et la biosynthèse, comme tous les processus biologiques, suivent ces principes généraux.
    • Les atomes dans les molécules peuvent être réarrangés en d'autres molécules, mais les atomes ne peuvent pas être créés ou détruits.
    • L'énergie n'est ni créée ni détruite par des processus biologiques.
    • L'énergie peut être transformée d'un type à un autre (par exemple, l'énergie de la lumière du soleil peut être transformée en énergie chimique dans le glucose).
    • Tous les types de transformation d'énergie sont inefficaces, de sorte qu'une partie de l'énergie d'entrée est transformée en énergie thermique.
  • Les cycle du carbone résulte des processus de :
    • La photosynthèse, qui déplace les atomes de carbone du CO2 dans l'air aux molécules organiques dans les plantes (et la biosynthèse, qui produit les molécules organiques complexes dans un organisme)
    • Consommation qui déplace le carbone des molécules organiques d'un organisme à un autre (et la mort et la défécation qui déplacent le carbone des molécules organiques vers la matière organique morte)
    • La respiration cellulaire qui déplace les atomes de carbone des molécules organiques vers le CO2 dans l'air.
  • L'énergie ne peut pas cycler dans les écosystèmes car toutes les transformations énergétiques sont inefficaces, de sorte qu'une partie de l'énergie d'entrée est transformée en chaleur qui ne peut pas être utilisée comme énergie d'entrée pour la photosynthèse. Par conséquent, l'énergie circule dans les écosystèmes de la lumière du soleil → énergie chimique dans les molécules organiques → énergie thermique qui est rayonnée vers l'espace. Ainsi, les écosystèmes avec des organismes vivants dépendent de l'apport constant d'énergie lumineuse du soleil. En revanche, la terre ne reçoit pas un afflux important d'atomes de carbone et ce n'est pas un problème car les atomes de carbone sont constamment recyclés.
  • Les biomasse d'un organisme est la masse des molécules organiques dans l'organisme. Le taux de production de biomasse est le plus élevé pour les producteurs d'un écosystème et plus faible pour chaque niveau trophique supérieur de l'écosystème. L'une des principales raisons est qu'une grande partie de la biomasse consommée par les consommateurs est utilisée pour la respiration cellulaire, de sorte que les atomes de carbone sont perdus sous forme de CO2 est rejeté dans l'environnement. Cette réduction du taux de production de biomasse à chaque niveau trophique se traduit par une pyramide trophique. Une implication pratique est qu'il faut environ dix fois plus de terres pour produire une biomasse équivalente de viande à partir d'un consommateur primaire par rapport à une biomasse similaire d'aliments végétaux.

Fournitures pour la Section II. Chaînes alimentaires et réseaux trophiques

  • 24 cartes pour un réseau trophique partiel simplifié de Yellowstone (à réutiliser dans chaque classe, vous aurez donc besoin d'un jeu de cartes pour chaque groupe de 2 à 4 élèves de votre plus grande classe)
  • (Les pages 14-17 de ces notes de préparation de l'enseignant contiennent les images de ces cartes. Nous vous recommandons d'imprimer les cartes sur du papier cartonné ou de plastifier ces cartes pour plus de durabilité. Un fichier PDF adapté à l'impression et à la découpe professionnelles de cartes est disponible dans les commentaires. page de http://serendip.brynmawr.edu/sci_edu/waldron/#ecolfoodw eb.)
  • Une table de laboratoire ou une autre surface ~2,5 pi² (~76 cm2) sur lesquels les élèves peuvent écrire à la craie ou au marqueur effaçable à sec pendant qu'ils créent leur réseau trophique ou une grande feuille de papier (p.2)) (pour chaque groupe d'étudiants)
  • Si les élèves écrivent sur des tables de laboratoire, un marqueur effaçable à sec ou une craie pour dessiner des cases et des flèches comme indiqué à la page 3 du document de l'élève (un pour chaque groupe d'élèves de votre classe la plus nombreuse)
  • Règle (une pour chaque groupe d'élèves de votre classe la plus nombreuse)
  • 1 morceau de papier pour chaque élève pour dessiner le réseau trophique pour répondre à la question 6 (Le papier doit être utilisé en orientation paysage. Vous pouvez utiliser le modèle montré sur la dernière page de ces notes de préparation de l'enseignant ou vous pouvez utiliser un plus grand morceau de papier, par exemple format légal)

Suggestions pédagogiques et informations générales

Comme Contexte pour cette activité, les élèves doivent avoir une compréhension de base de la respiration cellulaire et de la photosynthèse. À cette fin, nous recommandons « Comment les organismes biologiques utilisent-ils l'énergie ? » (http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/energy) et « Utiliser des modèles pour comprendre la photosynthèse » (http://serendip.brynmawr.edu/exch ange/bioactivities/modelphoto).

Nous estimons que les deux premières sections de cette activité nécessiteront une période de 50 minutes. (Selon vos élèves, vous voudrez peut-être remplir la page 1 du document de l'élève la veille de la création du réseau trophique ou la page 4 le lendemain de la création du réseau trophique.) Nous estimons que les sections III-V nécessiteront une autre période de 50 minutes. . Selon vos objectifs d'apprentissage, vous pouvez utiliser uniquement les sections I-II ou les sections I-IV.

Dans le document de l'étudiant, chiffres en gras indiquer les questions auxquelles les élèves doivent répondre.

UNE clé pour cette activité est disponible sur demande auprès d'Ingrid Waldron ([email protected]). Les paragraphes suivants fournissent des suggestions pédagogiques supplémentaires et des informations de base sur la biologie - certaines à inclure dans vos discussions en classe et d'autres pour vous fournir des informations pertinentes qui peuvent être utiles pour votre compréhension et/ou pour répondre aux questions des élèves.

Introduction

La première section du document de l'étudiant présente quelques terminologie. Nous introduisons le terme producteur (mais pas le terme équivalent autotrophe) pour les organismes qui utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour fabriquer toutes leurs molécules organiques. Nous introduisons également le terme consommateur (mais pas le terme équivalent hétérotrophe) pour les organismes qui consomment des molécules organiques produites par d'autres organismes. Si vous le souhaitez, vous pouvez facilement inclure les termes autotrophe et hétérotrophe.

Producteurs inclure non seulement les plantes (qui sont mentionnées dans le document de l'élève), mais aussi d'autres organismes photosynthétiques tels que les algues et les cyanobactéries.

Les décomposeurs tels que les bactéries et les champignons libèrent des enzymes dans la matière organique morte; ces enzymes digèrent des molécules organiques complexes en molécules solubles plus petites qui sont absorbées par les décomposeurs. Les détritivores tels que les vers de terre ingèrent de la matière organique morte, extraient la nutrition et excrètent des particules plus petites sur lesquelles les décomposeurs peuvent agir. D'autres animaux tels que les coyotes se nourrissent de charognes telles que les restes d'un élan tué par une meute de loups.

Un brief divertissant et instructif vidéo, « Dead Stuff : the Secret Ingredient in Our Food Chain » (https://www.youtube.com/watch?v=KI7u_pcfAQE), résume certaines des informations contenues dans cette section et présente les chaînes alimentaires et les réseaux alimentaires. Vous voudrez peut-être montrer cette vidéo à la fin de cette section d'introduction ou vers le début de la section II, Chaînes alimentaires et réseaux trophiques.

II. Chaînes alimentaires et réseaux trophiques

Pour la discussion sur les chaînes alimentaires et les réseaux trophiques, vos élèves doivent comprendre que le point de flèches de l'organisme qui est consommé à l'organisme qui consomme. En d'autres termes, les flèches indiquent la direction du flux de la nutrition.

Les omnivore trophique La catégorie comprend la catégorie plus familière des omnivores (animaux qui mangent à la fois des producteurs et des consommateurs primaires), mais la catégorie des omnivores trophiques comprend également d'autres organismes qui consomment des organismes à plus d'un niveau trophique (par exemple un carnivore qui consomme à la fois des consommateurs primaires et secondaires). Remarquez comment un vocabulaire similaire est utilisé différemment dans différents contextes. Un autre exemple serait une personne qui se considère végétarienne parce qu'elle ne mange pas de viande, même si elle mange du lait et des œufs ; selon les définitions scientifiques, il n'est pas un herbivore, mais plutôt un omnivore.

Le parc national de Yellowstone comprend environ 3 500 milles carrés, principalement dans le Wyoming. Le parc comprend une variété d'habitats, notamment des forêts, des prairies et des habitats aquatiques.

Les noms latins pour les animaux et les plantes inclus dans le réseau trophique du parc national de Yellowstone sont les suivants :

Merle d'Amérique - Turdus migrateur

Tremble – Populus tremuloides

Castor – Castor canadensis

Bisons - bison bison

Coyote – Canis latrans

Truite fardée – Oncorhynchus clarkii

Souris sylvestres – Peromyscus maniculatus

Ver de terre - Lumbricine

Wapiti - Cervus élaphe

Loup gris - Canis lupus

Grizzly - Ursus arctos

Collemboles – Collembole

Écureuil terrestre Uinta – Spermophilus armatus

Marmotte à ventre jaune – Marmota flaviventris

Saule - Salix spp.

Au fur et à mesure que vous distribuez le Cartes du réseau alimentaire de Yellowstone, vous voudrez probablement souligner que la plupart de ces cartes incluent une estimation générale de la plage de tailles (longueur) de l'organisme. Vos élèves devraient remarquer la petite taille de la plupart des décomposeurs et autres organismes de la chaîne alimentaire brune. De plus, nous avons utilisé le terme plus familier « manger » pour la plupart des cartes, mais pour les bactéries et les champignons, nous avons utilisé le terme « consommer » car ces organismes n'ingèrent pas de matière organique morte, mais sécrètent plutôt des enzymes dans l'environnement, puis absorber les molécules nutritives digérées.

Une fois que vos élèves ont fait leur première tentative de création du réseau trophique de Yellowstone, s'il y a des divergences entre leur réseau trophique et le réseau trophique indiqué dans la clé (disponible sur demande à [email protected]), vous pouvez fournir des conseils pour aider les élèves à créer un réseau trophique plus précis ; par exemple, vous pouvez leur indiquer le nombre d'organismes dans chaque catégorie (4 producteurs, 6 consommateurs primaires, 2 décomposeurs, 2 consommateurs secondaires et 9 omnivores trophiques).

Si vos élèves ne sont pas familiers avec les champignons, vous voudrez peut-être leur présenter la structure de base d'une fructification aérienne qui produit des spores (par exemple un champignon), et le mycélium, un vaste réseau d'hyphes dans le sol, les excréments, bûche pourrie ou autre matière organique. Les hyphes du mycélium sécrètent des enzymes digestives et absorbent les nutriments.

Pour faire un gérable nourriture Internet pour les étudiants à construire, nous avons omis la plupart des types d'organismes trouvés dans Yellowstone Parc national et a omis de nombreuses relations trophiques pour les organismes que nous avons inclus. Même ce réseau trophique partiel et simplifié suggère une partie de la complexité des véritables réseaux trophiques biologiques.

Supplémentaire complexités que nous avons omis comprendre:

  • Nous n'avons pas fait de distinction entre les relations trophiques plus importantes et moins importantes. Par exemple, environ 90% des loups tués à Yellowstone sont des wapitis, donc les wapitis sont de loin la proie la plus importante pour les loups gris à Yellowstone.
  • De nombreux types d'animaux consomment différents types d'aliments à différents moments de l'année et/ou à différents stades de leur vie.
  • Nous n'avons pas fait de distinction entre les nombreux types de champignons, Protista, nématodes, acariens, collemboles, graminées et autres plantes à fleurs de Yellowstone. Nous avons omis de mentionner les différentes relations trophiques pour les différentes espèces au sein de chacun de ces groupes.
  • Aucun des nombreux parasites présents dans une communauté biologique n'a été inclus.
  • Le réseau trophique de Yellowstone se compose de sous-réseaux dans différents habitats tels que les lacs, les ruisseaux, le sol et les prairies et forêts aériennes.

Il convient de souligner que, pour des raisons pratiques, tous ou presque tous les réseaux trophiques publiés sont partiels, car il est pratiquement impossible de rechercher et de décrire toutes les nombreuses espèces et relations trophiques dans les réseaux trophiques biologiques réels. Par exemple, une analyse d'un réseau trophique plante-mammifère pour l'écosystème du Serengeti comprenait 129 espèces de plantes et 32 ​​espèces de mammifères, mais excluait de nombreux autres mammifères, reptiles, amphibiens, oiseaux, invertébrés et décomposeurs. Les

Le réseau trophique du Serengeti (illustré dans la figure de la page suivante) montre une façon d'organiser des données complexes sur le réseau trophique en regroupant les espèces en fonction de similitudes de localisation spatiale et de relations trophiques. La colonne de gauche montre les groupes de plantes, la colonne du milieu montre les groupes d'herbivores et les groupes de carnivores sont montrés à droite.

Les cascade trophique discuté à la page 4 du document de l'élève est un exemple de contrôle descendant de la taille de la population. Les tendances de la taille de la population de wapitis ont été influencées par d'autres facteurs, notamment l'hiver très rigoureux de 1996-1997, lorsque la glace sur la neige a empêché les wapitis d'accéder au fourrage d'hiver; cela a entraîné une mortalité élevée des wapitis. Il s'agit d'un exemple de contrôle ascendant, un autre type important de contrôle de la taille de la population.

Si vos élèves ne connaissent pas anneaux de croissance annuels, vous pouvez expliquer que la superficie de chaque anneau de croissance annuel est une mesure de la quantité de croissance d'un saule au cours d'une année donnée. Si les wapitis mangent moins de feuilles et de branches, le saule aura plus de feuilles, ce qui entraînera plus de photosynthèse, ce qui entraînera à son tour plus de biosynthèse et un anneau de croissance annuel plus épais. Les anneaux de croissance annuels sont visibles car les nouvelles cellules du xylème produites au printemps sont grandes et à paroi mince, tandis que les nouvelles cellules du xylème formées en été sont plus petites et à paroi épaisse.

Vous pouvez montrer à vos élèves l'un ou les deux vidéos liés aux cascades trophiques. Ces vidéos ont des points forts contrastés :

  • « Wolves of Yellowstone » (http://education.nationalgeographic.org/media/wolves-yellowstone/) (une vidéo attrayante de National Geographic qui peut surestimer les effets des loups)
  • Vidéo de l'écosystème concernant la recherche à Yellowstone (commençant à 13 minutes et 40 secondes dans http://www.learner.org/courses/envsci/unit/text.php?unit=4&secNum=1 ) (plus équilibrée et plus détaillée sur la recherche)

III. Photosynthèse, respiration cellulaire et biosynthèse

La photosynthèse, la respiration cellulaire et la biosynthèse jouent un rôle important dans le cycle du carbone et le flux d'énergie dans les écosystèmes. Dans cette section, les élèves passent en revue un résumé de base de chacun de ces processus moléculaires/cellulaires complexes alors qu'ils se préparent pour la section suivante sur le cycle du carbone et le flux d'énergie dans les écosystèmes. Des informations supplémentaires sur ces processus (y compris une explication de l'estimation selon laquelle la respiration cellulaire d'une molécule de glucose ne produit que ~ 29 ATP) sont fournies dans « Respiration cellulaire et photosynthèse - Concepts importants, idées fausses courantes et activités d'apprentissage » (disponible sur http:/ /serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/cellrespiration).

Nous vous recommandons d'avoir une discussion en classe sur question 9 avant de passer à la discussion sur la respiration cellulaire et la biosynthèse. Cette discussion devrait non seulement garantir que les élèves comprennent la photosynthèse, mais également s'assurer que les élèves comprennent le type de tableau utilisé pour présenter la photosynthèse, la respiration cellulaire et la biosynthèse. Les élèves peuvent être intrigués par l'idée que la photosynthèse produit de la chaleur puisque les feuilles ne sont généralement pas chaudes; cela peut s'expliquer en considérant que seule une quantité relativement faible de chaleur est produite par la photosynthèse dans une seule feuille et que d'autres processus tels que la transpiration ont tendance à refroidir les feuilles.

Biosynthèse est important d'inclure pour renforcer la compréhension des élèves que les molécules organiques sont utilisées non seulement pour la respiration cellulaire, mais aussi pour fabriquer les nombreuses molécules organiques d'un organisme. L'équation et le diagramme suivants fournissent des informations supplémentaires sur les bases de la biosynthèse et de la structure de la cellulose.


n(HO–C6H10O4–OH) → H–(O–C6H10O4)m–OH + (n – 1)H2O

Les détails de cette réaction ne sont pas importants pour nos besoins ; la réaction n'est incluse que pour illustrer un exemple de biosynthèse. Le tableau en haut de la page 6 du document de l'étudiant comprend le rôle de l'ATP dans la fourniture de l'énergie nécessaire à la biosynthèse ; cependant, vous pouvez l'omettre si vous pensez que vos élèves comprendront mieux l'argument global sans cette complexité. Vous voudrez peut-être mentionner des réactions de biosynthèse supplémentaires qui sont nécessaires pour fabriquer tous les nombreux types de molécules dans un organisme. Par exemple, les producteurs utilisent des molécules contenant du carbone et des sources minérales d'azote (par exemple NH4+) pour fabriquer des acides aminés; ensuite, les acides aminés sont réunis pour former des protéines.

En ce qui concerne question 13, vous voudrez peut-être mentionner que les vaches ne produisent pas d'enzymes qui digèrent la cellulose ; au lieu de cela, le rumen d'une vache contient des bactéries qui produisent les enzymes qui digèrent la cellulose.

Les principes généraux présentés au bas de la page 6 du document de l'étudiant seront familiers comme la conservation de la matière, la conservation de l'énergie et les lois de la thermodynamique. Vous devrez peut-être rappeler aux élèves que la matière (les atomes) n'est pas convertie en énergie dans les processus biologiques et que l'énergie n'est pas convertie en matière.

IV. Cycle du carbone et flux d'énergie

Dans cette section, les étudiants développent une compréhension du cycle du carbone et du flux d'énergie à travers les écosystèmes en s'appuyant sur leur compréhension des réseaux trophiques et des processus de photosynthèse, de respiration cellulaire et de biosynthèse. L'un des objectifs de cette section est d'aider vos élèves à comprendre les relations entre les phénomènes observés à différents niveaux organisationnels, y compris les relations entre (1) les processus moléculaires/cellulaires de la respiration cellulaire, de la photosynthèse et de la biosynthèse, (2) les effets au niveau de l'organisme individuel et (3) les phénomènes au niveau de l'écosystème du cycle du carbone et du flux d'énergie. Les étudiants trouvent souvent difficile de relier leur compréhension des phénomènes observés à différents niveaux organisationnels, vous voudrez donc probablement renforcer cette compréhension dans vos discussions en classe sur les questions de cette section.

Les cycle du carbone montré dans le document de l'étudiant est simplifié pour aider les étudiants à comprendre clairement les processus de base du cycle du carbone. Vous voudrez peut-être montrer à vos élèves la petite flèche intitulée « mangé par les animaux » qui représente une relation trophique dans un réseau trophique.

UNE aperçu plus complet du cycle du carbone est montré à la page suivante. Ce chiffre pourrait fournir un point de départ utile pour une discussion sur le réchauffement climatique (http://www.nasa.gov/feature/goddard/carbon-climate).

Pour la page 8 du document de l'élève, il sera important d'avoir une discussion en classe qui consolide la compréhension des élèves de pourquoi l'énergie ne peut pas cycler.

Le polycopié fait référence à la lumière du soleil comme énergie d'entrée pour les écosystèmes. Bien que la lumière du soleil soit l'énergie d'entrée dans la plupart des écosystèmes, dans les cheminées hydrothermales en eaux profondes et les roches riches en fer situées profondément sous la surface de la terre, l'énergie d'entrée utilisée par les producteurs primaires est l'énergie chimique contenue dans des composés tels que l'ammoniac ou le sulfure d'hydrogène.

Pour question 18, vous pouvez fournir des crayons de couleur, des stylos ou des marqueurs pour que les élèves puissent dessiner les quatre types de flèches de différentes couleurs. Si vos élèves sont familiers avec les tas de compost, vous voudrez peut-être discuter de la façon dont les tas de compost se réchauffent en raison de l'activité métabolique des décomposeurs. Une fois que les élèves ont terminé la question 18, vous pouvez souligner que certaines des flèches représentent des processus où l'énergie et les atomes de carbone se déplacent ensemble dans des molécules organiques, mais d'autres flèches représentent des processus où l'énergie se déplace indépendamment des atomes de carbone. Étant donné que les molécules organiques contiennent à la fois de l'énergie chimique et des atomes de carbone, l'énergie et les atomes de carbone se déplacent ensemble lorsque les molécules organiques sont consommées ou lorsqu'un organisme meurt et que ses molécules organiques font partie de la matière organique morte. En revanche, la lumière pénètre dans un écosystème et la chaleur quitte un écosystème indépendant du mouvement des atomes de carbone.

Des informations utiles pour cette section sont fournies dans « Energy Flow through Ecosystems » (http://www.learner.org/courses/envsci/unit/text.php?unit=4&secNum=3) et « Biogeochemical Cycling in Ecosystems » (http ://www.learner.org/courses/envsci/unit/text.php?unit=4&secNum=4).

V. Pyramides trophiques

Question 20 devrait aider les élèves à relier leur propre expérience aux phénomènes de base qui jouent un rôle important dans la détermination de la forme des pyramides trophiques. La consommation alimentaire annuelle par habitant estimée aux États-Unis comprend 75 livres de graisses et d'huiles ajoutées, 152 livres d'édulcorants caloriques, 195 livres de viande et de poisson, 200 livres de céréales, 593 livres de produits laitiers et 708 livres de fruits et légumes (http ://www.usda.gov/factbook/chapter2.pdf). Notez que les types d'aliments au début de cette liste ont une densité calorique élevée ; les aliments des deux dernières catégories pèsent nettement plus par calorie consommée, en grande partie parce qu'ils contiennent beaucoup d'eau.

Biomasse (la masse des molécules organiques dans un organisme) est généralement estimée en pesant un échantillon séché pour estimer la masse de l'organisme moins la masse de l'eau dans l'organisme.

Réseaux trophiques partiels pour le forêt dans le New Hampshire abordés dans les questions 21-23 sont indiqués ci-dessous. Dans cet écosystème forestier, seulement 5 % environ de la biomasse des producteurs est consommée alors que les plantes sont encore vivantes (le réseau trophique vert) et près de 95 % ne sont consommées qu'après la mort des plantes (le réseau trophique brun).

Dans question 21, le taux de production de biomasse pour les producteurs est la production primaire nette, qui est la matière organique totale produite par les producteurs moins la quantité utilisée par les producteurs pour la respiration cellulaire. Dans cette étude, la proportion de la production primaire nette qui est devenue de la biomasse chez les consommateurs primaires et les décomposeurs était de 20 %. Cette proportion est plus élevée que le transfert de 10 % plus souvent cité entre les producteurs et les consommateurs primaires, principalement parce que les décomposeurs ont été inclus avec les consommateurs primaires. De nombreuses estimations de la production de biomasse au deuxième niveau trophique omettent les décomposeurs, même si les décomposeurs sont une partie très importante du deuxième niveau trophique puisqu'une quantité substantielle de biomasse végétale meurt avant d'être consommée par les consommateurs primaires.

Cela illustre le point général selon lequel le forme de pyramides trophiques dépend fortement de la spécificité méthodologie utilisé. Le taux de production de biomasse doit être plus faible à chaque niveau trophique supérieur car à chaque niveau trophique certaines molécules organiques sont métabolisées dans la respiration cellulaire et le carbone est perdu sous forme de CO2 est libérée. Si une pyramide trophique évalue le nombre d'organismes ou la quantité de biomasse plutôt que le flux, la pyramide peut avoir une forme très différente. Par exemple, le nombre d'individus peut être plus important pour un niveau trophique supérieur, par ex. si les organismes du niveau trophique supérieur sont plus petits, comme les insectes se nourrissant d'arbres. De même, il peut y avoir plus de biomasse à un niveau trophique supérieur, par ex. si les organismes du niveau trophique supérieur vivent plus longtemps, comme les baleines se nourrissant de plancton. En résumé, les pyramides trophiques pour le taux de production de biomasse présentent toujours la forme pyramidale classique. Cependant, les pyramides trophiques pour un certain nombre d'organismes ou pour la biomasse d'organismes varient en forme et ont tendance à montrer la forme pyramidale classique uniquement si les organismes à différents niveaux trophiques ont une taille et une longévité similaires (http://www.esa.org/history/ Awards/papers/Brown_JH_MA.pdf, page 1785).

Pendant que les élèves dessinent le graphique de question 23, la barre de chaque niveau trophique doit s'étendre sur toute la hauteur de la ligne pour ce niveau trophique dans le graphique. Ainsi, les différences de largeur de la barre pour chaque niveau trophique permettront une comparaison visuelle facile du taux de production de biomasse aux différents niveaux trophiques.

En discutant de la pyramide trophique en haut de la page 11 du polycopié de l'élève, vous voudrez interroger vos élèves sur la processus biologiques qui aboutissent à « l'estimation générale que le taux de production de biomasse à un niveau trophique est ~10% du taux de production de biomasse au niveau trophique juste inférieur » (en insistant à nouveau sur les points des questions 20 et 22). L'importance relative des différents processus varie selon les types d'organismes. Par exemple, la proportion de biomasse consommée qui est utilisée pour la respiration cellulaire est d'environ 80 % pour les tamias contre 33 % pour les insectes herbivores. (Cette différence reflète le fait que les tamias sont des homéothermes, alors que les insectes herbivores sont des poïkilothermes ; l'homéothermie est métaboliquement coûteuse.) La proportion de la biomasse consommée qui est perdue sous forme de matières fécales est d'environ 18 % pour les tamias contre environ 50 % pour les insectes herbivores qui mangent feuilles. (Les feuilles contiennent plus de cellulose et d'autres molécules relativement indigestes que les noix, les graines et les fruits consommés par les tamias). En raison de ces diverses différences, la production de biomasse pour les tamias est d'environ 2 % de la biomasse consommée, alors que la production de biomasse pour les insectes herbivores est d'environ 17 % de la biomasse consommée.

La comparaison du graphique que les élèves produisent à la question 23 avec la pyramide trophique montrée en haut de la page 11 dans le polycopié de l'élève illustre le point général selon lequel une pyramide trophique typique ne représente pas avec précision à quel point la productivité de la biomasse est inférieure aux niveaux trophiques supérieurs. Le graphique plus précis de la question 23, ainsi que la question 24b, aideront les élèves à comprendre pourquoi les chaînes alimentaires sont généralement limitées à environ 5 niveaux trophiques.

En discutant question 26, vous voudrez peut-être mentionner que manger de la viande provenant de consommateurs primaires au lieu de manger des aliments végétaux nécessite non seulement environ 10 fois plus de terres, mais également environ 10 fois plus d'eau et d'autres ressources.

Activité de suivi possible

Cette activité aide les élèves à comprendre une gamme de phénomènes interdépendants en se concentrant sur les processus et les relations de base. Pour compléter cette approche, vous voudrez peut-être encourager vos étudiants à effectuer des recherches sur des sujets connexes tels que :

  • Réseaux trophiques aquatiques
  • L'eutrophisation comme exemple de régulation ascendante
  • Cycles des nutriments pour l'azote, le phosphore et l'eau
  • Réchauffement climatique (par exemple http://www.nasa.gov/feature/goddard/carbon-climate ; ressources disponibles sur http://www.sciencejournalforkids.org/)
  • Bioamplification des concentrations de polluants organiques persistants, mercure, etc. à des niveaux trophiques supérieurs
  • Autres sujets sur lesquels les élèves peuvent poser des questions pendant l'activité.

Activités alternatives possibles pour les collégiens

Une séquence d'activités très complète et soigneusement étudiée pour enseigner aux collégiens les cycles du carbone et les flux d'énergie est disponible via Carbon TIME (http://ibis.colostate.edu/MSP/CTIME/TeachingUnitDashboard.php?TeachingUnitID=6# ).

« Qui mange quoi ? » fournit une introduction utile aux réseaux trophiques pour les élèves du secondaire est disponible dans le cadre de « Eco-Enquête » (http://www.caryinstitute.org/educators/teaching-materials/eco-inquiry).

Sources des figures dans le document de l'élève

  • Réseau alimentaire à la page 2 – http://www.biorewind.com/ecology/
  • Trends in Yellowstone – “Trophic cascades in Yellowstone: The first 15 years after wolf ‘s reintroduction” Biological Conservation 145 (2012): 205-213
  • Giraffe carbon cycle – http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/images/bi01002.gif
  • Carbon cycle and energy flow – http://carbontime.bscs.org/
  • Trophic Pyramid – http://files5.pdesas.org/118247080114254228171068116089003070092117008089/Download.ashx?hash=2.2

Beavers

Eat: Willows

Eaten by: Gray wolves

Elk

Eat: Grasses, willows, other flowering plants

Eaten by: Gray wolves, grizzly bears

Bison

Eat: Grasses

Eaten by: Gray wolves

Yellow-Bellied Marmots

Eat: Grasses; other flowering plants

Eaten by: Coyotes

Deer Mice

Eat: Grasses; other flowering plants

Eaten by: Coyotes

Uinta Ground Squirrels

Eat: Grasses, other flowering plants, mushrooms

Eaten by: Coyotes, grizzly bears

Vers de terre

Eat: Dead organic matter, fungi, bacteria

Eaten by: American robins

Mites

Eat: Nematodes, fungi

Eaten by: Beetles

Coléoptères

Eat: Springtails, mites

Eaten by: American robins

Springtails

Eat: Fungi

Eaten by: Beetles

Bactéries

Consume: Dead organic matter

Eaten by: Protista, nematodes, earthworms

Nématodes

Eat: Protista, fungi, bacteria

Eaten by: Mites

Willows

Eaten by: Beavers, elk

Grasses (including seeds)

Eaten by: Bison, elk, deer mice, Uinta ground squirrels, yellow-bellied marmots

Dead Organic Matter

Consumed by: Bacteria, fungi, earthworms

Other Flowering Plants (including berries)

Eaten by: American robins, deer mice, elk, grizzly bears, Uinta ground squirrels, yellow-bellied marmots

Champignons

Consume: Dead organic matter

Eaten by: Springtails, mites, nematodes,

earthworms, Uinta ground squirrels

Algae

Eaten by: Cutthroat trout

American Robins

Eat: Earthworms, beetles, other flowering plants

Eaten by: Snakes and birds of prey (not included in this food web)

Cutthroat Trout

Eat: Algae

Eaten by: Grizzly bears

Des grizzlis

Eat: Other flowering plants, cutthroat trout, Uinta ground squirrels, elk

Protiste

Eat: Bacteria

Eaten by: Nematodes

Coyotes

Eat: deer mice, Uinta ground squirrels, yellow-bellied marmots

Eaten by: Gray wolves

Gray Wolves

Eat: Elk, beavers, bison, coyotes

Simplified Partial Food Web for Yellowstone National Park


Study Notes on Food Chain

This is defined as a series of organisms through which the food energy is transferred.

In other words, the transfer of food from the plants through herbivores to carnivores is referred to as the food chain.

Each organism in the series feeds and derives energy from the preceding one, as shown in the following simple linear food chain on land.

A freshwater ecosystem has different food chains than the one described above.

A simple linear food chain in freshwater may be shown as follows:

In a freshwater ecosystem floating microscopic phytoplankton are examples of the producer class, which provide food for the primary consumers or zooplankton. The latter consist of microscopic animals and larval forms, which in turn provide food for the secondary consumers such as fish. The tertiary consumers feed on fish and they may be predatory fish, or birds, or mammals.

Food chains may be simple or complex. A simplest food chain involves essentially two links consisting of photosynthetic plants and microbes that obtain their nutrients from these plants by degrading or decaying them after their death.

Complex food chains consist of many links. For example, in the ocean, the microscopic plants of the photic zone are primarily responsible for the production of organic matter by photosynthesis. The plants and their products may be consumed r. certain unicellular or multicellular herbivorous zooplankton.

These are then ingested by other multicellular carnivorous zooplankton, which in turn may be eaten by certain worms and crustaceans. The smaller crustaceans may be devoured by small fish, which are eaten by larger fish. The latter in turn may serve as food for various birds and mammals whose eventual death and subsequent composition by microbes of decay terminates the food chain.

According to Odum, food chains are of two basic types: grazing food chain and detritus food chain. A grazing food chain starts from a green plant base and goes through grazing herbivores to carnivores. A detritus food chain starts from dead organic matter and goes through detritus – feeders to carnivores.

Food chains are not always simple and isolated but are interconnected with one another. The interlocking pattern of food chains or a matrix of food chains, with all sorts of short circuits and connections is often called the food web or food net. However, in any food web all the species not equally important and many could be removed without seriously affecting the more important species.

Thus, food web is a simplified representation of the complex interrelationships of the population of plants and animals which exist in a community (Fig. 4.2a). The basic operational principle in a food web is that each species is dependent upon at least one other species, and the numbers of each link species must be sufficient for their continued existence. If these conditions are maintained, the web will exist in an ecological nutritional equilibrium.

However, food webs are affected by changes in the environment, which may affect the food supply and reproductive rate. A food web on land is shown in (Fig. A2b). In an aquatic ecosystem a more complex food web will exist, as shown in (Fig. 4.3). This is also affected by changes in the environment, such as variations in water temperature and oxygen content as well as nutrient supply, which can reduce or increase the population of link species.

Energy Flow in Food Chains:

The transfer of the various forms of energy in a food chain is governed by the following laws of thermodynamics. The first law of thermodynamics, also known as the law of conservation of energy, states that energy may be transformed from one form (type) to another, but is never neither neither created nor destroyed. Thus radiant energy in the form of light falling on a green plant is transformed partly into chemical energy or potential energy of food. This part of the transformation is initiated by the metabolic process called photosynthesis.

The second law of thermodynamics states that non-random energy (mechanical, chemical, radiant) cannot be converted into random form (heat energy) without some degradation. Because some energy is always dispersed into unavailable heat energy, no spontaneous transformation (for example light to food) can be 100% efficient.

Therefore, when the chemical energy accumulated K the plants is converted into kinetic energy by herbivores when they consume the plants, some degradation of energy occurs through its conversion into heat. Similarly, further energy conversion and degradation will occur when the herbivore is consumed by a primary carnivore, and when the primary carnivore in turn is eaten up by a secondary carnivore.

The organisation of food chain and the working of the two laws of thermodynamics can be understood by means of a simplified energy-flow diagram (Fig. 4.4). In this diagram the “boxes” 1, 2, 3 represent the trophic levels (1: producers or autotrophs, 2: primary consumers or herbivores, 3: secondary consumers or carnivores) and the “pipes” depict the energy flow m and out of each level. Energy inflows balance outflows are required by the first law of thermodynamics, and each energy transfer is accompanied by dispersion of energy into unavailable heat (i.e. respiration) as required by the second law.

Bottom line in the diagram shows the order of magnitude of energy losses expected at major transfer points, starting with a solar input of 3000 kcl per square metre per day. (Fig.4.4) Thus, it is clear that energy flow is greatly reduced at each successive level regardless of whether we consider the total flow (1 and A) or the components P and R.

The diagram also shows the double metabolism of producers (i.e., gross and net production) and the approximately 50 per cent absorption by the plant cover and one per cent conversion of light at the first trophic level. Secondary productivity (P2, P3, in the diagram), tends to be about 10 per cent at successive consumer trophic levels, although efficiency may be higher (say 20 per cent), at the carnivore levels as shown in the diagram.

The energy flow diagram may, in principle, be applied to any ecosystem or community. As the initial amount of energy introduced into a food chain in a given habitat is limited by the duration and intensity of sunlight, there will be some point along the food chain of the habitat when this initial load of radiant energy has been transformed and finally all converted to heat energy. At this point the food chain will have reached the steady state, in which the amount of energy taken into its biological system in limit time as radiant energy exactly balances that returned as heat energy to the habitat.


Food Webs, Energy Flow, Carbon Cycle, and Trophic Pyramids

To begin this hands-on, minds-on activity, students view a video about ecosystem changes that resulted when wolves were reintroduced to Yellowstone. Then, students learn about food chains and food webs, and they construct and analyze a food web for Yellowstone National Park. Students use what they have learned to understand trophic cascades caused by the return of wolves to Yellowstone.

Next, students learn that the biosphere requires a continuous inflow of energy, but does not need an inflow of carbon atoms. To understand why, students analyze how the carbon cycle and energy flow through ecosystems result from photosynthesis, biosynthesis, cellular respiration, and the trophic relationships in food webs.

In the final section, students use the concepts they have learned to understand trophic pyramids and phenomena such as the relative population sizes for wolves vs. elk in Yellowstone. Thus, students learn how important ecological phenomena result from processes at the molecular, cellular, and organismal levels.

This activity is aligned with the Next Generation Science Standards (NGSS).

Download Student Handout: PDF format or Word format

Download Teacher Preparation Notes: PDF format or Word format

Please note that Word files display differently on different computers, so you will want to use the PDF files to see the correct formatting of the Student Handout and the images for the cards for the food web in the Teacher Preparation Notes. The first file attached below is suitable for professional printing and cutting of the cards for the food web part of the activity. The second and third attached files provide an alternative, smaller deck of cards, which you can use if you prefer a somewhat briefer, simpler food web activity.

We invite comments on this Hands-On Activity and the accompanying Teacher Preparation Notes. If you would prefer to send your comments or questions in a private message, please write Ingrid Waldron at [email protected]

See also a complete list of activities: Minds-on Activities for Teaching Biology


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Science

Vol 333, Issue 6040
15 July 2011

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By James A. Estes , John Terborgh , Justin S. Brashares , Mary E. Power , Joel Berger , William J. Bond , Stephen R. Carpenter , Timothy E. Essington , Robert D. Holt , Jeremy B. C. Jackson , Robert J. Marquis , Lauri Oksanen , Tarja Oksanen , Robert T. Paine , Ellen K. Pikitch , William J. Ripple , Stuart A. Sandin , Marten Scheffer , Thomas W. Schoener , Jonathan B. Shurin , Anthony R. E. Sinclair , Michael E. Soulé , Risto Virtanen , David A. Wardle

Science 15 Jul 2011 : 301-306


Ecology links

http://www.ncsu.edu/imse/1/ecology.htmclick on the first section if you cannot access directly from the link above.

C'est un international site with mirrors in other languages. It is so huge as to be slightly overwhelming. However, it is alphabetical, well indexed, and has a separate search engine. Recommended for those questions with excellent keywords or research on a particular topic.

An Encyclopedia of links listed alphabetically. While no link is required for USABO, it is a good starting place for any teacher or student seeking additional information on a specific ecology topic. It has not been updated since 2003, so many links are no longer valid. The USA professional organization links are still functional.

Unitary and Modular Organisms:

This terminology is not indexed by Campbell but it is used at the internationals.

Modular organisms are, by definition, composed of repeated building blocks (modules, ramets, polyps, and others), which are derived asexually by vegetative (iterative) growth. In many cases, growth of the clone or colony is indeterminate, i.e., even the largest individuals continue to grow until they are injured or killed . However, longevities of modular animals and plants vary greatly, from a few months (e.g., many temperate hydroids, bryozoans, some tunicates and weedy plants) to several centuries (e.g., some corals and clonal trees).

The body of unitary organisms is a determinate structure consisting usually of a strictly defined number of parts (such as legs or wings) established only during embryogenesis. Mobile animals are examples of age-structured populations of mobile, unitary (solitary) animals.

Review papers available on the internet: NON need to read beyond the introductions.

A few Specific References

Generally OK but the choice of a Purvis illustrations to show the relationship between carrying capacity (k) and population density over time was not a good choice by the author. The illustration would tend to give the student the impression that population density cannot exceed k, or if so by a very small amount. In fact population density over time will oscillate around the carrying capacity of the habitat. It can go above k but of course cannot be maintained at that level, thus crashes with the population typically falling well below k, Population density will gradually build back up to around k and may remain fairly stable for a time, but invariably it will again exceed k, and so the process repeats itself over and over.


Which of the following statements is true about natural systems?

A. Consumers form the bottom levels of both the energy pyramid and the biomass pyramid.

B. Producers are at the bottom level of both the energy pyramid and the biomass pyramid.

C. Producers are at the bottom of the energy pyramid, but at the top of the biomass pyramid.

D. Consumers are at the bottom of the energy pyramid, but at the top of the biomass pyramid.


Voir la vidéo: Biologie Cellulaire - 01- Généralités et Techniques détudes (Janvier 2022).