Océan - Séance II.6 La fragilité des équilibres

Résumé

Différentes modélisations d’un écosystème (dont le réseau alimentaire construit à la séance précédente) permettent d’illustrer le bouleversement de ce réseau à la moindre perturbation extérieure : introduction d’une espèce invasive, prélèvements massifs, modification des taux de reproduction ou de prédation…

Notions

· Les écosystèmes sont fragiles et toute perturbation a des conséquences sur l’ensemble du réseau

Modalités d’investigation

Etude documentaire, débat

Matériel

Pour la classe

· La Fiche 23 projetée au tableau, ou imprimée sur trois feuilles A3 (une feuille par simulation)

· L’animation multimédia « la fragilité des équilibres » et le matériel nécessaire pour la visionner

Pour chaque groupe

· La Fiche 22 complétée à la séance précédente

· Jetons colorés (quatre couleurs différentes, une cinquantaine de jetons par couleur), ou étiquettes, billes, gommettes, haricots, coquillettes…

Lexique

Equilibre, stabilité, prolifération

Durée :

1h30 (hors prolongements, à mener éventuellement sur une nouvelle séance de 45 minutes à 1h)

Question initiale

L’enseignant aide la classe à remobiliser les notions de la séance précédente et redistribue aux élèves répartis par groupes les réseaux alimentaires construits à cette occasion. Il les questionne alors : à votre avis, que se passerait-il si l’on changeait un élément de ces réseaux ? Par exemple si l’on introduisait un nouveau prédateur ou si l’on prélevait trop d’individus d’une espèce au point de provoquer son extinction ? La classe débat un moment.

Recherche (débat, rédaction de scénarios et animation multimédia)

L’enseignant invite les élèves, par groupe ou collectivement, à imaginer ce qui se produirait si l’espèce marquée d’une croix (dans chaque scénario) venait à disparaître. Par exemple : que se produirait-il si le goéland argenté disparaissait, dans le scénario A ? Certaines espèces pourraient-elles risquer de proliférer, et d’autres de disparaître ? Attention, il peut y avoir des effets en cascades ! Par groupes, les élèves rédigent un bref paragraphe pour expliquer les conséquences qu’ils envisagent. 

Note pédagogique

  • Bien sûr, il s’agit là de modèles simplifiés, et les réflexions menées par la classe seront très caricaturales par rapport à ce qui se produirait réellement en cas de disparition des espèces mentionnées. Le cas de la laitue de mer pourra même être discuté car d’autres facteurs (chimie et température de l’eau) provoquent même actuellement une invasion de laitue de mer sur les côtes bretonnes. Néanmoins, il est intéressant de faire réfléchir la classe sur de telles situations, même très schématiques, afin de bien leur faire comprendre cette idée d’équilibre des réseaux.
  • L’enseignant peut –éventuellement– demander aux élèves d’imaginer les raisons qui auraient pu conduire à l’extinction de l’espèce proposée, dans le milieu étudié. Par exemple, on peut imaginer une surpêche de la sole dans le scénario C ou une pollution de l’eau conduisant à la disparition de la laitue de mer dans le scénario D.
  • Si les élèves achèvent vite ce travail, l’enseignant peut proposer de rédiger d’autres paragraphes en inventant d’autres situations.

Modélisation d’un écosystème simplifié

Dans un second temps, l’enseignant propose de modéliser l’équilibre d’un écosystème à deux espèces, proie/prédateur (ici des crevettes grises et des raies). Chaque espèce sera représentée par une couleur, et au sein de chaque espèce nous différencierons les adultes des juvéniles avec encore des couleurs ou des formes différentes. Il affiche au tableau le premier tiers de la Fiche 23, qui décrit les conditions précises de l’équilibre de ces deux espèces. La classe lit à haute voix les conditions, et s’assure que tous les termes sont compris.


Exemple d’un cycle à l’équilibre, avec le détail de ses 5 étapes. Les raies sont représentés par des triangles (adultes grandes et bleues, juvéniles petits et turquoise), les crevettes, par des ronds (adultes grands et oranges, juvéniles petits et jaunes)

L’enseignant et les groupes vont ensemble reproduire un cycle de cet écosystème, symbolisé par cette séquence de 5 règles. Ceci permettra à l’occasion de préciser les couleurs à utiliser, et de bien vérifier que les notions ont été comprises. A l’issue de ce premier cycle, l’écosystème est bien revenu à sa situation de départ, on considère donc qu’il est stable. La notion d’équilibre peut faire une bonne conclusion pour cette séance, si la suite (perturbations de cet équilibre) est menée dans un second temps.

Notes pédagogiques

  • S’il est trop difficile de rassembler le matériel, les simulations peuvent être effectuées étape par étape sur une ardoise, en comptabilisant simplement le recensement des quatre populations : crevettes adultes, crevettes juvéniles, raies adultes, raies juvéniles.

Note scientifique

  • Cette modélisation illustre bien la notion d’équilibre d’un écosystème, mais la situation est bien évidemment plus complexe dans la réalité. Un couple de crevettes pondra des milliers d’œufs, mais seule une poignée survivra, d’où le raccourci proposé en Fiche 23 . De même, dans la réalité, les étapes ne sont pas séquentielles, car tout arrive simultanément ; cela rendrait la situation ingérable pour les élèves, comme pour les scientifiques.  Le pas de temps choisi (le trimestre) est également plus symbolique que scientifiquement précis. Enfin, les règles ont été dictées pour que le cycle aboutisse rapidement en cas d’équilibre : il faut donc les suivre à la lettre (ne pas simplifier « chaque raie dévore 1/8 des crevettes adultes » en « chaque raie dévore 4 crevettes adultes », interdire aux raies de dévorer des bébés crevettes même en cas de famine…) Ces règles peuvent sembler irréalistes, mais telles sont les hypothèses de cette modélisation.

La seconde étape de cette modélisation pointe la fragilité de cet équilibre, avec deux situations différentes. L’enseignant affiche donc la seconde partie de la Fiche 23 . A cause de la surpêche, toutes les grosses crevettes grises ont disparu, et il ne reste plus que les crevettes les plus petites ; les raies doivent donc en manger plus pour rester en bonne santé. La règle 3 devient dans ce cas « il naît un bébé raie  pour 16 crevettes dévorées ». Que pensez-vous qu’il va se passer ? La réponse logique prévoit une diminution de la population de raies. Si l’enseignant estime que les élèves ont bien compris les règles, il peut demander aux groupes de vérifier leur hypothèse par cette simulation en autonomie. Sinon, la modélisation sera faite en classe entière.


En changeant simplement une des 5 règles, l’équilibre est rompu :
la population de raies est décimée, et les crevettes pullulent.

Notes pédagogiques

  • Il n’est pas souhaitable de laisser les élèves imaginer de tête le résultat de chaque cycle, mais le calcul mental pour chaque étape de chaque cycle est encouragé ! Evidemment, il faudra peut-être une calculatrice lorsque les fractions ne seront pas résolubles facilement.


Classe de CE2 deSéverine Bonaric-Gros (Montpellier)

L’enseignant propose alors de changer une autre règle, en revenant à la situation de départ (on ne change qu’une seule règle à la fois). Il affiche enfin la troisième partie de la Fiche 23 . A cause de changements environnementaux (pollution, acidité, température), les crevettes se reproduisent moins bien. La règle 1 devient « d’une paire de crevettes sur 2 naît 1 crevette juvénile ». Que va-t-il se passer ? La première réponse attendue est une diminution de la population de crevettes. En réalité, de façon tout à fait contre-intuitive, même si l’on influence les crevettes, ce sont les raies qui vont disparaître ! Les élèves, en autonomie, vérifient leurs hypothèses en menant à bien trois ou quatre cycles.


La population de crevettes a diminué, mais celle de raies aussi :
 en influençant une espèce on impacte collatéralement d’autres espèces.

Prolongement éventuel 1 : animation multimédia sur un écosystème moins simplifié


Capture d’écran de l’animation multimédia « la fragilité des écosystèmes »

L’animation multimédia se concentre sur une partie du réseau trophique déjà abordé en séance précédente ( Fiche 23 C), se limitant à un producteur primaire (initialement 300 000 laitues de mer), deux producteurs secondaires (initialement 10 000 puces de mer et 1 000 néréis), ainsi que deux prédateurs (initialement 100 harengs et 10 soles) que l’homme pêche et consomme. Le seul paramètre de cette simulation sur lesquels les élèves peuvent jouer est le taux de pêche de ces deux dernières espèces : le régime « pêche raisonnable » (cas 1) correspond à un prélèvement de 0,1% des harengs et des soles à chaque cycle ; les régimes « pêche industrielle » (cas 2) et « surpêche » (cas 3) correspondent respectivement à des prélèvements de 1% et 10%.

La première consigne donnée par l’enseignant sera « Pour chacun des trois régimes de pêche, quelle est l’évolution de cet écosystème ? ». Dans le cas 1, les cinq espèces cohabitent, avec des populations stables bien que les élèves puissent observer quelques fluctuations (ces fluctuations seront étudiées un peu plus loin dans la séance)  Dans le cas 2, la population de soles périclite, les harengs et les laitues déclinent, et les puces croissent. Dans le cas 3, harengs et soles disparaissent, néréis et laitues décroissent, et les puces prolifèrent de plus belle.

Avec les paramètres réglés par défaut, l’observation de cet écosystème ne permet pas d’en étudierl’évolution à long terme. « Sur le long terme, quel est l’équilibre final atteint par l’écosystème en fonction de la cadence de pêche ? (vous pouvez accélérer la vitesse des simulations avec la télécommande) ». Le premier cas a été conçu pour présenter une situation à l’équilibre. A moyen terme comme à long terme, il n’y a pas de grand changement. Les cas « perturbés » sont par contre plus féconds en enseignements. Dans le cas de la « pêche industrielle » (cas 2), les harengs finissent par se stabiliser (à quelques individus seulement), alors qu’on les voyait décroître rapidement. Dans le cas 3 (surpêche) même si les néréis montraient une décroissance très lente, elles finissent par disparaître totalement. Dans ce dernier exemple, bien que l’homme ne pêche que les soles et les harengs, son action impacte très fortement les autres espèces (jusqu’à l’extinction des néréis ici).

L’enseignant rassemble les idées des élèves en une conclusion écrite collective : « Les activités humaines de pêche ont un impact sur la totalité des écosystèmes marins. Même les espèces que l’homme ne pêche pas sont touchées. »

Prolongement éventuel 2 (pour le collège)

Enfin, au collège, nous pouvons affiner l’étude de cet écosystème grâce aux courbes logarithmiques proposées dans le second panel (initialement masqué) de l’interface multimédia. Il faudra certainement quelques instants pour s’assurer que les élèves comprennent bien ce graphe et comment le lire. Nous nous contenterons d’étudier le cas 1 à l’équilibre. « Quelle est la population de néréis lorsque les puces sont en nombre maximal ? Quelle est la population de néréis lorsque les puces sont en nombre minimal ?  Sachant que néréis et puces se nourrissent de laitue de mer, que pouvez-vous conclure ? » Les élèves constatent que ces deux populations ont des comportements opposés, on dit que leurs populations sont « anti-corrélées ». Elles sont en compétition directe pour la nourriture : lorsque l’une des espèces foisonne, c’est au détriment de l’autre, et réciproquement. La présence de prédateurs permet de faire alterner les deux situations.

Notes scientifiques

  • Là encore, il s’agit là de modèles simplifiés. Les échelles choisies ici (échelle de temps, effectif des populations, taux de reproduction, etc) ne sont pas irréalistes, mais elles sont surtout symboliques. Elles permettent néanmoins de faire naître des réflexions et des discussions sur l’idée d’équilibre.
  • La notion même d’équilibre et de stabilité peut être ici approfondie : dans le cas de « pêche raisonnable », on peut observer des fluctuations, alors que l’écosystème est dit « à l’équilibre » ou « stable ». En effet, les ordres de grandeur des effectifs des cinq populations sont toujours les mêmes. Il n’y a aucun phénomène excessif pour aucune des espèces, chacune croissant ou décroissant en écho avec les autres espèces, sans jamais pour autant disparaître ou éliminer les autres.
  • Les courbes logarithmiques sont un outil mathématique que peu d’élèves auront croisé dans leur scolarité. A leur niveau, les élèves n’ont pas à aborder cette notion mathématique, mais l’observation de courbe et la description de tendances est intéressante. Pour le maître : le logarithme (décimal dans ce cas précis) s’intéresse aux puissances de dix plus qu’aux valeurs exactes à l’unité près (on ne voit pas la différence entre 200 et 201, qui n’est pas significative) : pour les élèves, l’intérêt immédiat est de pouvoir comparer sur un même graphe les populations de soles (qui se comptent à l’unité) et de laitues (qui frôlent le million). L’étude de ces courbes permet aussi de voir que les populations de harengs et de soles sont elles aussi en anti-corrélation (quand les harengs prolifèrent, les soles sont rares, et vice-versa), mais elles sont déphasées par rapport aux populations de leurs proies. On peut toucher du doigt ici la notion de dérivée (hors programme) : lorsque la population de puces est maximale, alors c’est la croissance (et non la population) des harengs qui est maximale ; quand la population de harengs est maximale, la population de puces décroît le plus vite, ce qui avantage les néréis qui prolifèrent. Quand les néréis sont à leur population maximale, alors les soles croissent et régulent la population de ces dernières, ce qui permet aux puces de croître à nouveau.
  • L’avenir de l’écosystème étudié dépend fortement de la présence ou non des prédateurs : dans le troisième cas, contrairement au second, l’absence de harengs ne permet plus de réguler la population de puces, ce qui condamne les néréis à l’extinction à long terme. Cependant, même dans le cas le plus caricatural, un certain équilibre finit par se mettre en place, avec simplement deux espèces : puces et laitue. La nature aura trouvé un nouvel équilibre, mais celui-ci est moins propice aux activités humaines.

Prolongement éventuel 3 : Chamboule-tout et équilibre d’un écosystème

De façon plus symbolique, en l’absence de tout moyen informatique, il est enfin possible de représenter cette notion d’équilibre en proposant à la classe de coller les vignettes de la Fiche 22 sur des boîtes (par exemple des canettes) à empiler (en plaçant les producteurs primaires et les consommateurs primaires vers le bas, puis leurs prédateurs vers le haut). On retire alors - au hasard ou de façon ciblée – l’un ou l’autre maillon de l’empilement, jusqu’à effondrement de la structure.

Conclusion

A partir de ces réflexions, la classe élabore une conclusion collective qui est inscrite sur le cahier d’expériences. Par exemple :

Les êtres vivants tissent un réseau qui est en équilibre. Si certains êtres vivants disparaissent, si d’autres sont introduits ou même s’il y a des changements dans le nombre de petits qu’ils peuvent faire, tout le réseau est déséquilibré et c’est tout l’écosystème qui est perturbé.

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte ESA SHOM Expéditions TARA Editions Le Pommier