Thème II Alimentation et environnement Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 1/8 Chapitre IV Production alimentaire et environnement Acquis Dans un milieu, les êtres vivants établissent entre eux des relations alimentaires. Une chaîne alimentaire schématise ce type de relations. Les maillons successifs sont habituellement reliés par des flèches qui signifient « est mangé par ». Les êtres vivants grandissent et grossissent : ils produisent donc de la matière. Animaux et végétaux, formés des mêmes constituants organiques, sont des producteurs de matière organique. Les végétaux chlorophylliens n'utilisent que des éléments minéraux (eau, ions minéraux et dioxyde de carbone) pour conduire leur matière organique. Le rendement de la production végétale peut être améliorée en utilisant certaines pratiques culturales (irrigation, engrais, désherbage, lutte contre les ravageurs...) Problématiques Comment est organisée la production de matière le long de la chaîne alimentaire ? Que devient la matière consommé et comment s'effectue le transfert de matière organique d'un maillon de la chaîne à un autre ? Quels sont les particularités des agrosystèmes (milieux crées et entretenus par l'Homme à des fins agricoles) par rapport aux écosystèmes naturels ? Quelles pratiques culturales permettent une amélioration de la productivité ? Quelles sont les conséquences sur la santé et l'environnement de certaines pratiques agricoles ? Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 2/8 I. Réseau trophique et production alimentaire A. La production végétale est la base de la production animale 1. Un exemple de chaîne alimentaire Chaîne alimentaire : suite d’êtres vivants dans laquelle chaque individu mange celui qui le précède. Cette succession de niveaux trophiques est le support d’un transfert de matière depuis les producteurs jusqu’aux consommateurs. Réseau trophique : ensemble des relations alimentaires entre les êtres vivants d’un écosystème. Il est constitué de plusieurs chaînes alimentaires. Au sein d’un écosystème, les êtres vivants dépendent les uns des autres : un végétal chlorophyllien est consommé par un animal phytophage qui, lui-même, est consommé par un animal zoophage. Une telle structure ordonnée constitue une chaîne alimentaire. La place d’un être vivant dans une chaîne alimentaire représente son niveau trophique. Les végétaux chlorophylliens sont à l'origine de toutes les chaînes alimentaires : ce sont les seuls à produire de la matière organique à partir de matières premières strictement minérales. Ils sont qualifiés pour cette raison de producteurs primaires alors que les animaux, quel que soit leur régime alimentaire, sont des producteurs secondaires : ils doivent tous consommer de la matière organique provenant d'autres êtres vivants (animaux ou végétaux) pour produire leur propre matière organique. Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 3/8 2. La construction d'une pyramide des biomasses Le passage d’un niveau trophique au niveau supérieur est caractérisé par des pertes importantes qui entraînent une diminution progressive de la biomasse (masse totale des êtres vivants d’un écosystème, d’un niveau trophique, d’une espèce, voire d’un individu). On définit ainsi le long des chaînes alimentaires, une « pyramide des biomasses ». Dans une chaîne alimentaire, la masse de matière produite au niveau d'un maillon de la chaîne est systématiquement très inférieure à la masse de matière ingérée (et provenant du maillon précédent). On peut ainsi apprécier l'efficacité avec laquelle un organisme synthétise sa propre matière vivante à partir de ses aliments. On peut aussi évaluer le rendement du passage de matière d'un maillon à l'autre de l'écosystème : c'est le rapport entre la masse de matière produite par les consommateurs d'un maillon donné et la masse de matière prélevée (les aliments) dans la production du maillon précédent. Dans les écosystèmes naturels, ce rendement est de l'ordre de 10% en moyenne. Par exemple, une vache, pour grossir de 1 kg, doit consommer plus de 10 kg d'herbe. Il est donc possible de schématiser le rendement global d'une chaîne alimentaire en représentant chaque maillon par un rectangle dont l'aire est proportionnelle à la biomasse présente à un moment donné. Exemple : il faut 2211 kg de luzerne pour « produire » 1035 kg de veau, eux-mêmes nécessaires pour alimenter un jeune garçon de 12 ans de 48 kg. II. Le fonctionnement des agrosystèmes Un écosystème naturel est naturellement équilibré : à chaque niveau, la biomasse est stabilisée grâce aux interactions avec les autres niveaux. Par exemple, une augmentation de la biomasse des herbivores favorise la niveau suivant (prédateurs des herbivores). La prédation devient alors plus importante, ce qui réduit la biomasse des herbivores. Un agrosystème est en revanche un système déséquilibré. Les espèces végétales sélectionnées pour être cultivées de manière intensive. Une telle production suppose des prélèvements importants d'ions minéraux dans le sol. Contrairement à ce qui se passe dans un écosystème naturel, la restitution naturelle au sol de ces éléments minéraux est très faible. A. Un exemple d'agrosystème : un champ de maïs Les végétaux chlorophylliens sont autotrophes au carbone, il n'est donc pas nécessaire d'apporter une source de carbone minéral supplémentaire. En revanche, les plantes prélèvent l'azote dans le sol sous forme de nitrates ou de nitrites. De plus, les plantes, tout comme les animaux, ont des besoins très variés en différents éléments. Les autres éléments importants sont le potassium (K), l'oxygène (O) et le phosphore (P) ainsi que de très nombreux oligo-éléments. Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 4/8 L'Homme doit ainsi compenser l'exportation massive d'ions minéraux par des apports d'engrais équivalents. Des analyses du sol permettent de vérifier que ces apports sont convenables et maintiennent les teneurs des différents éléments chimiques du sol à des valeurs satisfaisantes. Ces analyses permettent aussi d'éviter des apports excessifs qui auraient pour conséquence, après lessivage des soles, une pollution des eaux de surface ou des nappes phréatiques. B. Une protection contre les ennemis des cultures Les parasites sont des espèces vivantes qui vivent obligatoirement aux dépens d'autres espèces (ils y sont fixés, voire à l'intérieur). Les individus parasités sont appelés hôtes. On compte de très nombreux parasites des plantes cultivées : ceux-ci se nourrissent des tissus et des molécules des végétaux. Le parasitisme aboutit à un affaiblissement de l'hôte et conduit, dans le cas d'un agrosystème, à une forte baisse du rendement. Les ennemis des cultures sont variés (animaux, végétaux, champignons, bactéries, virus) : Les plantes adventices (ou « mauvaises herbes ») à croissance rapide étouffent les plantes cultivées Les ravageurs sont des animaux qui dévorent les plantations. On les trouve soit à l'état de larves (chenilles, larves souterraines) soit à l'état adulte (rongeurs, oiseaux, insectes...) Les parasites (champignons microscopiques, bactéries, virus) se multiplient très rapidement et sont responsables de nombreuses maladies (mildiou (taches brunes sur les feuilles puis flétrissement), oïdium (feutrage blanc sur les feuilles)) Près d'un quart de la production mondiale serait perdue en raison de ces différents ennemis. Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 5/8 Les moyens de lutte phytosanitaire sont de deux types : méthode chimique ou biologique. ➢ La lutte chimique est basée sur l'utilisation de pesticides variés : herbicides de plus en plus sélectifs, insecticides et fongicides. Ces techniques sont efficaces et peu coûteuses. Un des grands problèmes de ce types de méthode reste la persistance de substances toxiques dans l'environnement, d'où la recherche de produits strictement biodégradables. ➢ La lutte biologique consiste à utiliser des ennemis naturels des ravageurs (élevage massif d'animaux prédateurs d'insectes, culture de microorganismes pouvant déclencher des maladies dans les populations de nuisibles...) ou perturber leur reproduction (lâcher de mâles stériles par exemple). Depuis une dizaine d'années, de nouvelles méthodes biologiques apparaissent : les OGM, organisme génétiquement modifiés. Les semences de ces plantes ont été génétiquement programmées pour résister à certains ravageurs ou à des herbicides. III. Des conséquences pour l'environnement et la santé A. Les problèmes liés à une fertilisation excessive La durée de persistance dans le sol de l'azote apporté par les engrais est très longue. Les nitrates qui polluent aujourd'hui les nappes aquifères résultent de nombreuses années de fertilisation et du lessivage intensif des sols (risque accru dans nos régions où les sols sont nus à l'époque des fortes précipitations). Une solution au lessivage est l'utilisation d'engrais organiques (fumiers...) qui libèrent lentement, par l'action de microorganismes du sol, de l'azote utilisable par les plantes. Seulement, un apport intensif d'azote organique n'est pas sans danger car on ne fait que déplacer le problème dans le temps. Les nitrates sont libérés lentement mais la quantité lessivée fini par être la même. Un autre type de pollution est causé par cet excès d'azote : lorsque les nitrates atteignent une rivière, ils causent une prolifération importante des algues et des plantes aquatiques provoquant une désoxygénation progressive. Le dépôt de matières végétales mortes finit par combler les rivières et les lacs. Ce phénomène est appelé eutrophisation. Dans les eaux souterraines, c'est essentiellement l'élévation de la teneur en nitrates qui est préoccupante. De nombreux captages d'eau potable deviennent ainsi impropres à la consommation car la teneur en nitrates y est supérieure au taux maximum autorisé pour une eau de boisson, soit mg/L. Le problème se pose de la même façon pour les captages des eaux de surface. B. Des problèmes liés à l'utilisation des pesticides Les pesticides épandus de façon excessive peuvent eux aussi se retrouver dans les eaux superficielles ou souterraines. Le risque est accru lorsqu'il s'agit de produits peu dégradables qui peuvent persister très longtemps (des années, voire plus) dans l'environnement. Une particularité de certains de ces produits accroît encore les risques liés à leur utilisation : absorbés par les animaux, ils sont susceptibles d'être stockés dans les graisses (ce qui signifie qu'ils ne sont pas transformés ou dégradés). Ils sont donc transmis tout au long des chaînes alimentaires mais leur concentration dans les tissus augmente considérablement à chaque fois qu'ils passent d'un maillon au suivant. Document 6 Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 6/8 C. La Transgénèse : avantages et inconvénients 1. Les intérêts L'amélioration de la biomasse consiste à rechercher des plantes performantes par leurs qualités propres dans les domaines de l'absorption racinaire, de la photosynthèse, de la formation de réserves, de la résistances aux maladies... La sélection de nouvelles variétés par isolement progressif et la création de nouvelles variétés par hybridation permettent d'obtenir de nouveaux plants associant des caractères intéressants et ceux qui existaient au préalable. La transgénèse permet l'obtention de caractères nouveaux, inexistants à l'état naturel, alors que les possibilités de la sélection sont réduites en raison des patrimoines génétiques limités. Les techniques de transgénèse, même si elles sont simples et rapides, n'ont pas un rendement extraordinaire, et il faut réaliser les expériences sur plusieurs dizaines de cellules pour en obtenir quelques unes transformées. La transformation d'un organisme par transgénèse donne ce qu'on appelle un OGM ou organisme génétiquement modifié. On introduit généralement dans une cellule (qui donnera un individu par divisions successives) un gène qui présente un intérêt pour l’Homme ; ce gène peut provenir d’une plante, d’une Bactérie ou de tout autre organisme. On parle alors de plante transgénique. Toutes les cellules de l’organisme possèdent alors le gène étranger qui peut être transmis à la descendance. ✗ Limiter les engrais Certaines plantes, les légumineuses, sont capables de réaliser une symbiose (association à bénéfice réciproque de 2 organismes) avec des bactéries fixatrices d’azote atmosphérique (N2). Ces bactéries, du genre Rhizobium, transforment le diazote en nitrates qui sont ensuite donnés à la plante qui leur fournit en échange d’autres molécules... L’avantage d’une telle association est que l’azote atmosphérique est une source inépuisable de l’élément azote (N), ce qui rend inutile l’apport d’engrais azotés pour de telles cultures. On espère transférer le gène responsable de l’association (présent dans le génome des légumineuses) à d’autres plantes comme les graminées (céréales). ✗ Limiter les pesticides Les plants de maïs peuvent être ravagés par la chenille d’un papillon : la pyrale. Or, certaines Bactéries (Bacillus thuringiensis) fabriquent une protéine toxique pour la larve de la Pyrale. Elles possèdent donc le gène qui commande cette synthèse. En introduisant ce gène dans le génome du maïs, on obtient un maïs transgénique dont les cellules fabriquent cette protéine. La culture est ainsi efficacement protégée. Ceci limite l’utilisation de pesticides, toxiques à forte dose. 2. Les risques et les craintes pour la santé et l'environnement ✗ Risques pour l’environnement Fin 1999, une expérience a été réalisée aux États-Unis sur le monarque, papillon d’Amérique du Nord réputé pour sa beauté. Des chenilles de ce papillon ont été nourries avec des feuilles recouvertes de pollen d’une variété de maïs rendu résistant à la pyrale par transgénèse. Ces chenilles ont connu une croissance plus lente et une mortalité plus élevée. Le danger est donc réel, mais quand on sait que les chenilles de monarque se nourrissent de certaines feuilles de bordure des champs, et ne touchent pas au maïs lui-même, on est amené à conclure que le risque est faible. Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 7/8 De plus, le pollen de maïs se dépose peu en bordure des champs et, encore mieux, la période de libération du pollen du maïs ne coïncide pas, en général, avec celle du développement des chenilles de monarque. Des incertitudes subsistent encore sur la stabilité des gènes intégrés à tout OGM. Les gènes pourraient passer d’une plante à une bactérie responsable de la maladie du collet (Agrobacterium) qui a la particularité d’intégrer une partie de son génome à celui de la plante (transgenèse naturelle). Il se pourrait que cette bactérie récupère un gène de résistance à un herbicide et l’injecte dans une mauvaise herbe. La bactérie pourrait aussi récupérer un gène de résistance aux antibiotiques ce qui la rendrait elle-même résistante. Le même phénomène est possible par l’intermédiaire de virus. Depuis plus de dix ans que les OGM sont cultivés, aucun problème de ce genre n’a encore été rencontré. ✗ Risques pour la santé À partir de quel niveau de petites modifications dans la composition des plantes présentent-elles un risque supplémentaire pour la santé humaine ? Les tests actuels permettent une certaine évaluation de la sécurité, mais ils sont peu efficaces pour déceler les effets plus discrets, comme par exemple le pouvoir allergénique. Bien qu’un gène prélevé sur une plante non allergénique présente peu de risques de se révéler lui-même allergénique, il n’existe à l’heure actuelle aucun moyen de le démontrer de façon certaine. De plus, on ne connaît pas tous les allergènes. Mais, par exemple l’arachide, étant un allergène connu, il est peu probable qu’elle soit exploitée par l’industrie des OGM. Il existe évidemment de nombreuses autres craintes à propos de la santé et des OGM. La production alimentaire globale croît régulièrement, grâce notamment à l’amélioration des techniques de culture mais aussi à la sélection de plantes performantes. L’accent devra alors être mis sur l’aspect qualitatif des productions et les problèmes environnementaux. Les OGM présentent des aspects intéressants, quant à la réduction de l’utilisation d’herbicides, d’insecticides et de nitrates, produits polluants et toxiques. Cependant, des dangers difficilement cernés existent. Il ne faut pas faire n’importe quoi en matière de génétique et de très nombreux contrôles devront être effectués afin qu’on puisse enfin se diriger vers une agriculture raisonnée. Thème 2 – Alimentation et environnement (Chapitre IV) 8/8