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4.1 : Flux d'énergie à travers les écosystèmes - Géosciences


Une écosystème est une communauté d'organismes vivants et de leur environnement abiotique (non vivant). Les écosystèmes peuvent être petits, comme les mares trouvées près des côtes rocheuses de nombreux océans, ou grands, comme ceux que l'on trouve dans la forêt tropicale humide de l'Amazonie au Brésil (Figure ci-dessous).

Il existe trois grandes catégories d'écosystèmes en fonction de leur environnement général : d'eau douce, marin et terrestre. Au sein de ces trois catégories se trouvent des types d'écosystèmes individuels basés sur l'habitat environnemental et les organismes présents.

Écologie des écosystèmes

La vie dans un écosystème implique souvent une compétition pour des ressources limitées, qui se produit à la fois au sein d'une même espèce et entre différentes espèces. Les organismes se disputent la nourriture, l'eau, la lumière du soleil, l'espace et les nutriments minéraux. Ces ressources fournissent l'énergie nécessaire aux processus métaboliques et la matière pour constituer les structures physiques des organismes. D'autres facteurs critiques influençant la dynamique de la communauté sont les composants de son environnement physique : le climat d'un habitat (saisons, lumière du soleil et précipitations), l'altitude et la géologie. Celles-ci peuvent toutes être des variables environnementales importantes qui déterminent quels organismes peuvent exister dans une zone particulière.

Les écosystèmes d'eau douce sont les moins communs, se produisant sur seulement 1,8 pour cent de la surface de la Terre. Ces systèmes comprennent des lacs, des rivières, des ruisseaux et des sources; ils sont assez divers et supportent une variété d'animaux, de plantes, de champignons, de protistes et de procaryotes.

Les écosystèmes marins sont les plus courants, représentant 75 pour cent de la surface de la Terre et se composant de trois types de base : les océans peu profonds, les eaux océaniques profondes et les fonds océaniques profonds. Les écosystèmes océaniques peu profonds comprennent des écosystèmes de récifs coralliens extrêmement riches en biodiversité, mais l'eau profonde de l'océan est connue pour un grand nombre de plancton et de krill (petits crustacés) qui la soutiennent. Ces deux environnements sont particulièrement importants pour les respirateurs aérobies dans le monde, car le phytoplancton effectue 40 pour cent de toute la photosynthèse sur Terre. Bien qu'ils ne soient pas aussi diversifiés que les deux autres, les écosystèmes des grands fonds océaniques contiennent une grande variété d'organismes marins. De tels écosystèmes existent même à des profondeurs où la lumière est incapable de pénétrer à travers l'eau.

Les écosystèmes terrestres, également connus pour leur diversité, sont regroupés en grandes catégories appelées biomes. UNE biome est une communauté d'organismes à grande échelle, principalement définie sur terre par les types de plantes dominants qui existent dans les régions géographiques de la planète avec des conditions climatiques similaires. Les exemples de biomes incluent les forêts tropicales humides, les savanes, les déserts, les prairies, les forêts tempérées et les toundras. Le regroupement de ces écosystèmes en quelques catégories de biomes masque la grande diversité des écosystèmes individuels qui les composent. Par exemple, les cactus saguaro (Carnegiea gigantean) et d'autres plantes du désert de Sonora, aux États-Unis, sont relativement diverses par rapport au désert rocheux désolé de Boa Vista, une île au large des côtes de l'Afrique de l'Ouest (figure ci-dessous).

Écosystèmes et perturbations

Les écosystèmes sont complexes avec de nombreuses parties en interaction. Ils sont régulièrement exposés à diverses perturbations : des changements de l'environnement qui affectent leur composition, comme les variations annuelles des précipitations et de la température. De nombreuses perturbations sont le résultat de processus naturels. Par exemple, lorsque la foudre provoque un incendie de forêt et détruit une partie d'un écosystème forestier, le sol est finalement peuplé d'herbes, suivies de buissons et d'arbustes, et plus tard d'arbres matures : ainsi, la forêt retrouve son état antérieur. Ce processus est si universel que les écologistes lui ont donné un nom : la succession. L'impact des perturbations environnementales causées par les activités humaines est maintenant aussi important que les changements provoqués par les processus naturels. Les pratiques agricoles humaines, la pollution de l'air, les pluies acides, la déforestation mondiale, la surpêche, les déversements de pétrole et les déversements illégaux sur terre et dans l'océan ont tous des impacts sur les écosystèmes.

Équilibre est un état dynamique d'un écosystème dans lequel, malgré les changements dans le nombre et l'occurrence des espèces, la biodiversité reste assez constante. En écologie, deux paramètres sont utilisés pour mesurer les changements dans les écosystèmes : la résistance et la résilience. La capacité d'un écosystème à rester à l'équilibre malgré les perturbations est appelée la résistance. La vitesse à laquelle un écosystème retrouve l'équilibre après avoir été perturbé est appelée résilience. La résistance et la résilience des écosystèmes sont particulièrement importantes lorsque l'on considère l'impact humain. La nature d'un écosystème peut changer à un point tel qu'il peut perdre entièrement sa résilience. Ce processus peut conduire à la destruction complète ou à l'altération irréversible de l'écosystème.

Chaînes alimentaires et réseaux trophiques

UNE chaîne alimentaire est une séquence linéaire d'organismes à travers laquelle les nutriments et l'énergie passent lorsqu'un organisme en mange un autre ; les niveaux de la chaîne alimentaire sont les producteurs, les consommateurs primaires, les consommateurs de niveau supérieur et enfin les décomposeurs. Ces niveaux sont utilisés pour décrire la structure et la dynamique de l'écosystème. Il y a un seul chemin à travers une chaîne alimentaire. Chaque organisme d'une chaîne alimentaire occupe un niveau trophique (niveau énergétique), sa position dans la chaîne alimentaire ou le réseau trophique.

Dans de nombreux écosystèmes, la base ou la fondation de la chaîne alimentaire est constituée d'organismes photosynthétiques (plantes ou phytoplancton), appelés producteurs. Les organismes qui consomment les producteurs sont des herbivores : les consommateurs primaires. Consommateurs secondaires sont généralement des carnivores qui mangent les principaux consommateurs. Consommateurs tertiaires sont des carnivores qui mangent d'autres carnivores. Les consommateurs de niveau supérieur se nourrissent des niveaux trophiques inférieurs suivants, et ainsi de suite, jusqu'aux organismes au sommet de la chaîne alimentaire : le consommateurs de pointe. Dans la chaîne alimentaire du lac Ontario, illustrée à la figure ci-dessous, le saumon quinnat est le consommateur suprême au sommet de cette chaîne alimentaire.

Un facteur majeur qui limite le nombre d'étapes dans une chaîne alimentaire est l'énergie. L'énergie est perdue à chaque niveau trophique et entre les niveaux trophiques sous forme de chaleur et lors du transfert vers les décomposeurs (figure ci-dessous). Ainsi, après un nombre limité de transferts d'énergie trophique, la quantité d'énergie restante dans la chaîne alimentaire peut ne pas être suffisante pour soutenir des populations viables à un niveau trophique encore plus élevé.

Il y a un problème lors de l'utilisation des chaînes alimentaires pour décrire la plupart des écosystèmes. Même lorsque tous les organismes sont regroupés dans des niveaux trophiques appropriés, certains de ces organismes peuvent se nourrir à plus d'un niveau trophique ; de même, certains de ces organismes peuvent également se nourrir à partir de plusieurs niveaux trophiques. De plus, les espèces se nourrissent et sont mangées par plus d'une espèce. En d'autres termes, le modèle linéaire des écosystèmes, la chaîne alimentaire, est une représentation hypothétique et trop simpliste de la structure de l'écosystème. Un modèle holistique, qui inclut toutes les interactions entre les différentes espèces et leurs relations interconnectées complexes entre elles et avec l'environnement, est un modèle plus précis et descriptif des écosystèmes. UNE nourriture Internet est un concept qui rend compte des multiples interactions trophiques (alimentation) entre chaque espèce et les nombreuses espèces dont elle peut se nourrir, ou qui s'en nourrissent. Dans un réseau trophique, les nombreuses connexions trophiques entre chaque espèce et les autres espèces qui interagissent avec elle peuvent traverser plusieurs niveaux trophiques. Les mouvements de matière et d'énergie de pratiquement tous les écosystèmes sont décrits plus précisément par les réseaux trophiques (figure ci-dessous).

Deux types généraux de réseaux trophiques sont souvent représentés en interaction au sein d'un même écosystème. UNE réseau trophique de pâturage a des plantes ou d'autres organismes photosynthétiques à sa base, suivis d'herbivores et de divers carnivores. UNE réseau trophique détritique se compose d'une base d'organismes qui se nourrissent de matière organique en décomposition (organismes morts), y compris les décomposeurs (qui décomposent les organismes morts et en décomposition) et les détritivores (qui consomment les détritus organiques). Ces organismes sont généralement des bactéries, des champignons et des animaux invertébrés qui recyclent la matière organique dans la partie biotique de l'écosystème car ils sont eux-mêmes consommés par d'autres organismes. Comme les écosystèmes nécessitent une méthode pour recycler les matériaux des organismes morts, les réseaux trophiques de pâturage ont un réseau trophique détritique associé. Par exemple, dans un écosystème de prairie, les plantes peuvent soutenir un réseau trophique de pâturage de différents organismes, primaires et autres niveaux de consommateurs, tout en soutenant en même temps un réseau trophique détritique de bactéries et de champignons se nourrissant de plantes et d'animaux morts. Simultanément, un réseau trophique détritique peut apporter de l'énergie à un réseau trophique de pâturage, comme lorsqu'un rouge-gorge mange un ver de terre.

Comment les organismes acquièrent de l'énergie dans un réseau alimentaire

Tous les êtres vivants ont besoin d'énergie sous une forme ou une autre. L'énergie est utilisée par la plupart des voies métaboliques complexes (généralement sous la forme d'ATP), en particulier celles responsables de la construction de grosses molécules à partir de composés plus petits. Les organismes vivants ne seraient pas capables d'assembler des macromolécules (protéines, lipides, acides nucléiques et glucides complexes) à partir de leurs monomères sans un apport constant d'énergie.

Les diagrammes du réseau trophique illustrent la façon dont l'énergie circule dans les écosystèmes. Ils peuvent également indiquer avec quelle efficacité les organismes acquièrent de l'énergie, l'utilisent et combien il en reste pour être utilisé par d'autres organismes du réseau trophique. L'énergie est acquise par les êtres vivants de deux manières : les autotrophes exploitent l'énergie lumineuse ou chimique et les hétérotrophes acquièrent de l'énergie par la consommation et la digestion d'autres organismes vivants ou auparavant vivants.

Les organismes photosynthétiques et chimiosynthétiques sont autotrophes, qui sont des organismes capables de synthétiser leur propre nourriture (plus précisément, capables d'utiliser le carbone inorganique comme source de carbone). Autotrophes photosynthétiques (photoautotrophes) utilisent la lumière du soleil comme source d'énergie et les autotrophes chimiosynthétiques (chimioautotrophes) utilisent des molécules inorganiques comme source d'énergie. Les autotrophes sont critiques pour la plupart des écosystèmes : ils sont le niveau trophique producteur. Sans ces organismes, l'énergie ne serait pas disponible pour les autres organismes vivants et la vie elle-même ne serait pas possible.

Les photoautotrophes, tels que les plantes, les algues et les bactéries photosynthétiques, sont la source d'énergie de la majorité des écosystèmes du monde. Ces écosystèmes sont souvent décrits par le pâturage et les réseaux trophiques détritiques. Les photoautotrophes exploitent l'énergie solaire du Soleil en la convertissant en énergie chimique sous forme d'ATP (et de NADP). L'énergie stockée dans l'ATP est utilisée pour synthétiser des molécules organiques complexes, telles que le glucose. La vitesse à laquelle les producteurs photosynthétiques incorporent l'énergie du Soleil est appelée productivité primaire brute. Cependant, toute l'énergie incorporée par les producteurs n'est pas disponible pour les autres organismes de la chaîne alimentaire, car les producteurs doivent également croître et se reproduire, ce qui consomme de l'énergie. Productivité primaire nette est l'énergie qui reste dans les producteurs après avoir pris en compte la respiration et la perte de chaleur de ces organismes. La productivité nette est alors disponible pour les consommateurs primaires au niveau trophique suivant.

Les chimioautotrophes sont principalement des bactéries et des archées que l'on trouve dans des écosystèmes rares où la lumière du soleil n'est pas disponible, tels que ceux associés aux grottes sombres ou aux cheminées hydrothermales au fond de l'océan (Figure ci-dessous). De nombreux chimioautotrophes dans les cheminées hydrothermales utilisent du sulfure d'hydrogène (H2S), qui est libéré des évents en tant que source d'énergie chimique ; cela leur permet de synthétiser des molécules organiques complexes, telles que le glucose, pour leur propre énergie et, à son tour, fournit de l'énergie au reste de l'écosystème.

Conséquences des réseaux trophiques : grossissement biologique

L'une des conséquences les plus importantes de la dynamique des écosystèmes en termes d'impact humain est la bioamplification. Bioamplification est la concentration croissante de substances toxiques persistantes dans les organismes à chaque niveau trophique successif. Ce sont des substances liposolubles, non hydrosolubles, stockées dans les réserves de graisse de chaque organisme. Il a été démontré que de nombreuses substances se bioamplifient, y compris des études classiques avec le pesticide dichlorodiphényltrichloroéthane (DDT), qui ont été décrits dans le best-seller des années 1960, Printemps silencieux par Rachel Carson. Le DDT était un pesticide couramment utilisé avant que ses dangers pour les consommateurs de pointe, tels que le pygargue à tête blanche, ne soient connus. Dans les écosystèmes aquatiques, les organismes de chaque niveau trophique ont consommé de nombreux organismes du niveau inférieur, ce qui a entraîné une augmentation du DDT chez les oiseaux (consommateurs d'apex) qui mangeaient du poisson. Ainsi, les oiseaux ont accumulé des quantités suffisantes de DDT pour fragiliser leurs coquilles d'œufs. Cet effet a augmenté la casse des œufs pendant la nidification et s'est avéré avoir des effets dévastateurs sur ces populations d'oiseaux. L'utilisation du DDT a été interdite aux États-Unis dans les années 1970.

Les autres substances qui se bioamplifient sont les polychlorobiphényles (PCB), qui étaient utilisés comme liquides de refroidissement aux États-Unis jusqu'à ce que leur utilisation soit interdite en 1979, et les métaux lourds, tels que le mercure, le plomb et le cadmium. Ces substances sont mieux étudiées dans les écosystèmes aquatiques, où les espèces de poissons prédateurs accumulent des concentrations très élevées de substances toxiques qui sont à des concentrations assez faibles dans l'environnement et chez les producteurs. Comme l'illustre une étude réalisée par la NOAA dans la baie Saginaw du lac Huron des Grands Lacs d'Amérique du Nord (figure ci-dessous), les concentrations de BPC ont augmenté à partir des producteurs de l'écosystème (phytoplancton) à travers les différents niveaux trophiques des espèces de poissons. Le consommateur suprême, le doré jaune, contient plus de quatre fois plus de PCB que le phytoplancton. De plus, d'après les résultats d'autres études, les oiseaux qui mangent ces poissons peuvent avoir des niveaux de PCB au moins un ordre de grandeur plus élevés que ceux trouvés dans les poissons de lac.

D'autres préoccupations ont été soulevées par la bioamplification des métaux lourds, tels que le mercure et le cadmium, dans certains types de fruits de mer. L'Environmental Protection Agency des États-Unis recommande aux femmes enceintes et aux jeunes enfants de ne pas consommer d'espadon, de requin, de maquereau royal ou de poisson tuile en raison de leur teneur élevée en mercure. Il est conseillé à ces personnes de manger des poissons pauvres en mercure : saumon, crevettes, goberge et poisson-chat. La bioamplification est un bon exemple de la façon dont la dynamique des écosystèmes peut affecter notre vie quotidienne, influençant même la nourriture que nous consommons.


Les eaux souterraines sont une ressource essentielle pour la vie humaine, ainsi que pour le maintien des écosystèmes. Comprendre les eaux souterraines contaminées avec la santé humaine est un nouveau domaine d'intérêt et d'étude. Les eaux souterraines contribuent à la durabilité des écosystèmes pour l'harmonisation des êtres humains avec la nature. D'autre part, les changements environnementaux affectent de plus en plus les ressources en eaux de surface et souterraines. Ce numéro spécial sera publié dans Géosciences et fournir des sujets concernant les eaux souterraines et la santé humaine, la géohydrologie en relation avec l'eau et la vie, la caractérisation géomicrobienne des environnements souterrains, la gestion des ressources en eaux souterraines, les facteurs environnementaux changeant le système hydrologique et ses conséquences, la quantité et la qualité des eaux souterraines liées aux changements environnementaux, l'interaction entre les eaux souterraines et les eaux de surface, la biogéochimie et l'écohydraulique de la zone riveraine et hyporhéique, les écosystèmes dépendant des eaux souterraines, etc. Les rédacteurs invités encouragent les articles contenant de nouvelles approches et technologies sur les sujets susmentionnés.

Prof. Se-Yeong Hamm
Professeur Tianming Huang
Prof. Min-Ho Koo
Pr Jung-Hwi Kihm
Éditeurs invités

Informations sur la soumission du manuscrit

Les manuscrits doivent être soumis en ligne sur www.mdpi.com en s'inscrivant et en se connectant à ce site Web. Une fois inscrit, cliquez ici pour accéder au formulaire de soumission. Les manuscrits peuvent être soumis jusqu'à la date limite. Tous les articles seront évalués par des pairs. Les articles acceptés seront publiés en continu dans la revue (dès leur acceptation) et seront répertoriés ensemble sur le site Web du numéro spécial. Des articles de recherche, des articles de synthèse ainsi que de courtes communications sont invités. Pour les articles prévus, un titre et un court résumé (environ 100 mots) peuvent être envoyés au bureau éditorial pour annonce sur ce site.

Les manuscrits soumis ne doivent pas avoir été publiés auparavant, ni être à l'étude pour publication ailleurs (à l'exception des actes de conférence). Tous les manuscrits sont soumis à une évaluation approfondie par le biais d'un processus d'examen par les pairs en simple aveugle. Un guide pour les auteurs et d'autres informations pertinentes pour la soumission de manuscrits sont disponibles sur la page Instructions pour les auteurs. Géosciences est une revue mensuelle internationale à comité de lecture en libre accès publiée par MDPI.

Veuillez visiter la page Instructions pour les auteurs avant de soumettre un manuscrit. Les frais de traitement des articles (APC) pour la publication dans cette revue en libre accès sont de 1500 CHF (francs suisses). Les articles soumis doivent être bien formatés et utiliser un bon anglais. Les auteurs peuvent utiliser le service d'édition en anglais de MDPI avant la publication ou pendant les révisions d'auteur.


Les multiples niveaux de flux d'énergie

Le flux d'énergie à travers notre écosystème se fait à plusieurs niveaux. Le premier niveau trophique est composé de producteurs qui utilisent l'énergie solaire et le processus de photosynthèse pour créer de la matière organique. Ces producteurs sont des plantes, et ils jouent un rôle dans le deuxième niveau trophique. Ce qui se passe au deuxième niveau trophique, c'est que les herbivores utilisent ces plantes comme nourriture, ce qui leur fournit ensuite de l'énergie. Cette énergie est principalement utilisée pour maintenir les fonctions corporelles essentielles. Ces fonctions comprennent la digestion des aliments, la respiration, la croissance des tissus, la température corporelle et le maintien de la circulation sanguine.

Le flux d'énergie à travers notre écosystème se fait à plusieurs niveaux.

Le prochain niveau trophique du flux d'énergie à travers un écosystème comprend les carnivores. Ils se nourrissent des herbivores du niveau précédent et les utilisent pour l'énergie qui maintient leur croissance et leur subsistance. Cela ne s'arrête pas là, car les petits carnivores peuvent être mangés par de plus gros prédateurs, ce qui rend ce niveau plus compliqué dans certains cas. Mais la chose importante à noter est la façon dont les différentes espèces animales et végétales sont liées en faisant partie de la chaîne alimentaire. Une fois que l'animal meurt, il est décomposé par des bactéries, des champignons et différents insectes, renvoyant ainsi les nutriments au sol. Ces nutriments sont à nouveau absorbés par les plantes. L'énergie est libérée pendant le processus de décomposition, elle ne peut pas être recyclée.


4.1 Énergie et métabolisme

Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour décrire le concept de flux d'énergie (figure 4.2) à travers les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la décomposition de molécules complexes se produisent par des réactions chimiques par étapes. Certaines de ces réactions chimiques sont spontanées et libèrent de l'énergie, tandis que d'autres nécessitent de l'énergie pour se dérouler. Tout comme les êtres vivants doivent continuellement consommer de la nourriture pour reconstituer leurs réserves d'énergie, les cellules doivent continuellement obtenir plus d'énergie pour reconstituer celle utilisée par les nombreuses réactions chimiques exigeantes en énergie qui se produisent constamment. Ensemble, toutes les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des cellules, y compris celles qui consomment ou génèrent de l'énergie, sont appelées métabolisme cellulaire.

Voies métaboliques

Considérez le métabolisme du sucre. C'est un exemple classique de l'un des nombreux processus cellulaires qui utilisent et produisent de l'énergie. Les êtres vivants consomment des sucres comme source d'énergie majeure, car les molécules de sucre ont une grande quantité d'énergie stockée dans leurs liaisons. Pour la plupart, les organismes photosynthétiques comme les plantes produisent ces sucres. Au cours de la photosynthèse, les plantes utilisent de l'énergie (à l'origine de la lumière du soleil) pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) en molécules de sucre (comme le glucose : C6H12O6). Ils consomment du dioxyde de carbone et produisent de l'oxygène en tant que déchet. Cette réaction se résume ainsi :

Étant donné que ce processus implique la synthèse d'une molécule stockant de l'énergie, il nécessite un apport d'énergie pour se poursuivre. Au cours des réactions lumineuses de la photosynthèse, l'énergie est fournie par une molécule appelée adénosine triphosphate (ATP), qui est la principale monnaie d'énergie de toutes les cellules. Tout comme le dollar est utilisé comme monnaie pour acheter des biens, les cellules utilisent des molécules d'ATP comme monnaie énergétique pour effectuer un travail immédiat. En revanche, les molécules de stockage d'énergie telles que le glucose ne sont consommées que pour être décomposées afin d'utiliser leur énergie. La réaction qui récupère l'énergie d'une molécule de sucre dans les cellules nécessitant de l'oxygène pour survivre peut être résumée par la réaction inverse à la photosynthèse. Dans cette réaction, de l'oxygène est consommé et du dioxyde de carbone est libéré sous forme de déchet. La réaction se résume ainsi :

Ces deux réactions impliquent de nombreuses étapes.

Les processus de fabrication et de décomposition des molécules de sucre illustrent deux exemples de voies métaboliques. Une voie métabolique est une série de réactions chimiques qui prennent une molécule de départ et la modifient, étape par étape, à travers une série d'intermédiaires métaboliques, pour finalement aboutir à un produit final. Dans l'exemple du métabolisme du sucre, la première voie métabolique synthétise le sucre à partir de molécules plus petites, et l'autre voie décompose le sucre en molécules plus petites. Ces deux processus opposés, le premier nécessitant de l'énergie et le second produisant de l'énergie, sont respectivement appelés voies anaboliques (polymères de construction) et voies cataboliques (décomposition des polymères en leurs monomères). Par conséquent, le métabolisme est composé d'une synthèse (anabolisme) et d'une dégradation (catabolisme) (figure 4.3).

Il est important de savoir que les réactions chimiques des voies métaboliques ne se produisent pas d'elles-mêmes. Chaque étape de la réaction est facilitée, ou catalysée, par une protéine appelée enzyme. Les enzymes sont importantes pour catalyser tous les types de réactions biologiques, celles qui nécessitent de l'énergie ainsi que celles qui libèrent de l'énergie.

Énergie

La thermodynamique fait référence à l'étude de l'énergie et du transfert d'énergie impliquant la matière physique. La matière relative à un cas particulier de transfert d'énergie est appelée un système, et tout ce qui se trouve en dehors de cette matière est appelé l'environnement. Par exemple, lorsque vous chauffez une casserole d'eau sur le poêle, le système comprend le poêle, la casserole et l'eau. L'énergie est transférée à l'intérieur du système (entre le poêle, la marmite et l'eau). Il existe deux types de systèmes : ouverts et fermés. Dans un système ouvert, l'énergie peut être échangée avec son environnement. Le système de cuisinière est ouvert car la chaleur peut être perdue dans l'air. Un système fermé ne peut pas échanger d'énergie avec son environnement.

Les organismes biologiques sont des systèmes ouverts. L'énergie est échangée entre eux et leur environnement car ils utilisent l'énergie du soleil pour effectuer la photosynthèse ou consomment des molécules stockant de l'énergie et libèrent de l'énergie dans l'environnement en effectuant un travail et en libérant de la chaleur. Comme toutes les choses dans le monde physique, l'énergie est soumise à des lois physiques. Les lois de la thermodynamique régissent le transfert d'énergie dans et entre tous les systèmes de l'univers.

En général, l'énergie est définie comme la capacité de faire un travail ou de créer une sorte de changement. L'énergie existe sous différentes formes. Par exemple, l'énergie électrique, l'énergie lumineuse et l'énergie thermique sont toutes des types d'énergie différents. Pour apprécier la façon dont l'énergie entre et sort des systèmes biologiques, il est important de comprendre deux des lois physiques qui régissent l'énergie.

Thermodynamique

La première loi de la thermodynamique stipule que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante et conservée. En d'autres termes, il y a toujours eu et il y aura toujours exactement la même quantité d'énergie dans l'univers. L'énergie existe sous de nombreuses formes différentes. Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre ou transformée en différentes formes, mais elle ne peut pas être créée ou détruite. Les transferts et les transformations d'énergie ont lieu tout le temps autour de nous. Les ampoules transforment l'énergie électrique en énergie lumineuse et thermique. Les poêles à gaz transforment l'énergie chimique du gaz naturel en énergie thermique. Les plantes effectuent l'une des transformations énergétiques les plus biologiquement utiles sur Terre : celle de convertir l'énergie de la lumière solaire en énergie chimique stockée dans des molécules organiques (figure 4.2). Quelques exemples de transformations d'énergie sont présentés à la figure 4.4.

Le défi pour tous les organismes vivants est d'obtenir de l'énergie de leur environnement sous des formes qu'ils peuvent transférer ou transformer en énergie utilisable pour effectuer un travail. Les cellules vivantes ont évolué pour relever ce défi. L'énergie chimique stockée dans les molécules organiques telles que les sucres et les graisses est transférée et transformée par une série de réactions chimiques cellulaires en énergie dans les molécules d'ATP. L'énergie contenue dans les molécules d'ATP est facilement accessible pour effectuer un travail. Des exemples des types de travail que les cellules doivent effectuer comprennent la construction de molécules complexes, le transport de matériaux, l'alimentation du mouvement des cils ou des flagelles et la contraction des fibres musculaires pour créer un mouvement.

Les tâches principales d'une cellule vivante consistant à obtenir, transformer et utiliser de l'énergie pour effectuer un travail peuvent sembler simples. Cependant, la deuxième loi de la thermodynamique explique pourquoi ces tâches sont plus difficiles qu'il n'y paraît. Tous les transferts et transformations d'énergie ne sont jamais complètement efficaces. Dans chaque transfert d'énergie, une certaine quantité d'énergie est perdue sous une forme inutilisable. Dans la plupart des cas, cette forme est l'énergie thermique. Thermodynamiquement, l'énergie thermique est définie comme l'énergie transférée d'un système à un autre qui ne fonctionne pas. Par exemple, lorsqu'une ampoule est allumée, une partie de l'énergie convertie de l'énergie électrique en énergie lumineuse est perdue sous forme d'énergie thermique. De même, une partie de l'énergie est perdue sous forme d'énergie thermique lors des réactions métaboliques cellulaires.

Un concept important dans les systèmes physiques est celui d'ordre et de désordre. Plus un système perd d'énergie dans son environnement, moins le système est ordonné et aléatoire. Les scientifiques appellent entropie la mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d'un système. Une entropie élevée signifie un désordre élevé et une énergie faible. Les molécules et les réactions chimiques ont également une entropie variable. Par exemple, l'entropie augmente à mesure que les molécules à forte concentration en un seul endroit diffusent et s'étalent. La deuxième loi de la thermodynamique dit que l'énergie sera toujours perdue sous forme de chaleur dans les transferts ou transformations d'énergie.

Les êtres vivants sont très ordonnés, nécessitant un apport constant d'énergie pour être maintenus dans un état de faible entropie.

Énergie potentielle et cinétique

Lorsqu'un objet est en mouvement, il y a de l'énergie associée à cet objet. Pensez à une boule de démolition. Même une boule de démolition lente peut faire beaucoup de dégâts à d'autres objets. L'énergie associée aux objets en mouvement est appelée énergie cinétique (figure 4.5). Une balle qui accélère, une personne qui marche et le mouvement rapide des molécules dans l'air (qui produit de la chaleur) ont tous une énergie cinétique.

Et si cette même boule de démolition immobile était soulevée à deux étages au-dessus du sol avec une grue ? Si la boule de démolition suspendue ne bouge pas, y a-t-il de l'énergie qui lui est associée ? La réponse est oui. L'énergie qui était nécessaire pour soulever la boule de démolition n'a pas disparu, mais est maintenant stockée dans la boule de démolition en raison de sa position et de la force de gravité agissant sur elle. Ce type d'énergie est appelé énergie potentielle (figure 4.5). Si la balle tombait, l'énergie potentielle serait transformée en énergie cinétique jusqu'à ce que toute l'énergie potentielle soit épuisée lorsque la balle repose sur le sol. Les boules de démolition se balancent également comme un pendule à travers la balançoire, il y a un changement constant d'énergie potentielle (la plus élevée en haut de la balançoire) en énergie cinétique (la plus élevée en bas de la balançoire). D'autres exemples d'énergie potentielle incluent l'énergie de l'eau retenue derrière un barrage ou une personne sur le point de sauter en parachute d'un avion.

L'énergie potentielle n'est pas seulement associée à l'emplacement de la matière, mais aussi à la structure de la matière. Même un ressort au sol a de l'énergie potentielle s'il est comprimé, de même qu'un élastique qui est tendu. Au niveau moléculaire, les liaisons qui maintiennent les atomes des molécules ensemble existent dans une structure particulière qui a une énergie potentielle. N'oubliez pas que les voies cellulaires anaboliques nécessitent de l'énergie pour synthétiser des molécules complexes à partir de molécules plus simples et que les voies cataboliques libèrent de l'énergie lorsque des molécules complexes sont décomposées. Le fait que l'énergie puisse être libérée par la rupture de certaines liaisons chimiques implique que ces liaisons ont une énergie potentielle. En fait, il y a de l'énergie potentielle stockée dans les liaisons de toutes les molécules alimentaires que nous mangeons, qui est finalement exploitée pour être utilisée. En effet, ces liaisons peuvent libérer de l'énergie lorsqu'elles sont rompues. Le type d'énergie potentielle qui existe dans les liaisons chimiques et qui est libéré lorsque ces liaisons sont rompues est appelé énergie chimique. L'énergie chimique est responsable de fournir aux cellules vivantes de l'énergie provenant de la nourriture. La libération d'énergie se produit lorsque les liaisons moléculaires au sein des molécules alimentaires sont rompues.

Concepts en action

Visitez le site et sélectionnez « Pendule » dans le menu « Travail et énergie » pour voir l'énergie cinétique et potentielle changeante d'un pendule en mouvement.

Énergie libre et d'activation

Après avoir appris que les réactions chimiques libèrent de l'énergie lorsque les liaisons de stockage d'énergie sont rompues, une prochaine question importante est la suivante : comment l'énergie associée à ces réactions chimiques est-elle quantifiée et exprimée ? Comment l'énergie libérée par une réaction peut-elle être comparée à celle d'une autre réaction ? Une mesure de l'énergie libre est utilisée pour quantifier ces transferts d'énergie. Rappelons que selon la deuxième loi de la thermodynamique, tous les transferts d'énergie impliquent la perte d'une certaine quantité d'énergie sous une forme inutilisable telle que la chaleur. L'énergie libre fait spécifiquement référence à l'énergie associée à une réaction chimique qui est disponible après la prise en compte des pertes. En d'autres termes, l'énergie gratuite est l'énergie utilisable, ou l'énergie disponible pour effectuer un travail.

Si de l'énergie est libérée au cours d'une réaction chimique, le changement d'énergie libre, signifié par ∆G (delta G) sera un nombre négatif. Une variation négative de l'énergie libre signifie également que les produits de la réaction ont moins d'énergie libre que les réactifs, car ils libèrent de l'énergie libre pendant la réaction. Les réactions qui ont un changement négatif de l'énergie libre et par conséquent libèrent de l'énergie libre sont appelées réactions exergoniques. Pense: exergonic signifie que l'énergie est exiting le système. Ces réactions sont également appelées réactions spontanées et leurs produits ont moins d'énergie stockée que les réactifs. Une distinction importante doit être faite entre le terme spontané et l'idée d'une réaction chimique se produisant immédiatement. Contrairement à l'usage courant du terme, une réaction spontanée n'est pas une réaction soudaine ou rapide. La rouille du fer est un exemple de réaction spontanée qui se produit lentement, petit à petit, au fil du temps.

Si une réaction chimique absorbe de l'énergie plutôt que de libérer de l'énergie dans l'ensemble, alors le G pour cette réaction sera une valeur positive. Dans ce cas, les produits ont plus d'énergie libre que les réactifs. Ainsi, les produits de ces réactions peuvent être considérés comme des molécules de stockage d'énergie. Ces réactions chimiques sont appelées réactions endergoniques et elles ne sont pas spontanées. Une réaction endergonique n'aura pas lieu d'elle-même sans l'ajout d'énergie libre.

Connexion visuelle

Examinez chacun des processus illustrés et décidez s'il est endergonique ou exergonique.

Il existe un autre concept important qui doit être pris en compte concernant les réactions endergoniques et exergoniques. Les réactions exergoniques nécessitent une petite quantité d'énergie pour démarrer, avant de pouvoir procéder à leurs étapes de libération d'énergie. Ces réactions ont une libération nette d'énergie, mais nécessitent toujours un apport d'énergie au début. Cette petite quantité d'énergie nécessaire pour que toutes les réactions chimiques se produisent s'appelle l'énergie d'activation.

Concepts en action

Regardez une animation du passage de l'énergie libre à l'état de transition de la réaction.

Enzymes

Une substance qui aide une réaction chimique à se produire est appelée catalyseur, et les molécules qui catalysent les réactions biochimiques sont appelées enzymes . La plupart des enzymes sont des protéines et effectuent la tâche critique d'abaisser les énergies d'activation des réactions chimiques à l'intérieur de la cellule. La plupart des réactions critiques pour une cellule vivante se produisent trop lentement à des températures normales pour être utiles à la cellule. Sans enzymes pour accélérer ces réactions, la vie ne pourrait pas persister. Les enzymes le font en se liant aux molécules réactives et en les retenant de manière à faciliter les processus de rupture et de formation des liaisons chimiques. Il est important de se rappeler que les enzymes ne changent pas si une réaction est exergonique (spontanée) ou endergonique. En effet, ils ne modifient pas l'énergie libre des réactifs ou des produits. Ils ne font que réduire l'énergie d'activation nécessaire au déroulement de la réaction (figure 4.7). De plus, une enzyme elle-même n'est pas modifiée par la réaction qu'elle catalyse. Une fois qu'une réaction a été catalysée, l'enzyme est capable de participer à d'autres réactions.

Les réactifs chimiques auxquels une enzyme se lie sont appelés les substrats de l'enzyme. Il peut y avoir un ou plusieurs substrats, selon la réaction chimique particulière. Dans certaines réactions, un seul substrat réactif est décomposé en plusieurs produits. Dans d'autres, deux substrats peuvent se réunir pour créer une molécule plus grosse. Deux réactifs peuvent également entrer dans une réaction et tous deux se modifier, mais ils quittent la réaction sous forme de deux produits. L'emplacement au sein de l'enzyme où le substrat se lie est appelé site actif de l'enzyme. Le site actif est l'endroit où "l'action" se produit. Puisque les enzymes sont des protéines, il existe une combinaison unique de chaînes latérales d'acides aminés au sein du site actif. Chaque chaîne latérale est caractérisée par des propriétés différentes. Ils peuvent être gros ou petits, faiblement acides ou basiques, hydrophiles ou hydrophobes, chargés positivement ou négativement, ou neutres. La combinaison unique de chaînes latérales crée un environnement chimique très spécifique au sein du site actif. This specific environment is suited to bind to one specific chemical substrate (or substrates).

Active sites are subject to influences of the local environment. Increasing the environmental temperature generally increases reaction rates, enzyme-catalyzed or otherwise. However, temperatures outside of an optimal range reduce the rate at which an enzyme catalyzes a reaction. Hot temperatures will eventually cause enzymes to denature, an irreversible change in the three-dimensional shape and therefore the function of the enzyme. Enzymes are also suited to function best within a certain pH and salt concentration range, and, as with temperature, extreme pH, and salt concentrations can cause enzymes to denature.

For many years, scientists thought that enzyme-substrate binding took place in a simple “lock and key” fashion. This model asserted that the enzyme and substrate fit together perfectly in one instantaneous step. However, current research supports a model called induced fit (Figure 4.8). The induced-fit model expands on the lock-and-key model by describing a more dynamic binding between enzyme and substrate. As the enzyme and substrate come together, their interaction causes a mild shift in the enzyme’s structure that forms an ideal binding arrangement between enzyme and substrate.

Concepts in Action

When an enzyme binds its substrate, an enzyme-substrate complex is formed. This complex lowers the activation energy of the reaction and promotes its rapid progression in one of multiple possible ways. On a basic level, enzymes promote chemical reactions that involve more than one substrate by bringing the substrates together in an optimal orientation for reaction. Another way in which enzymes promote the reaction of their substrates is by creating an optimal environment within the active site for the reaction to occur. The chemical properties that emerge from the particular arrangement of amino acid R groups within an active site create the perfect environment for an enzyme’s specific substrates to react.

The enzyme-substrate complex can also lower activation energy by compromising the bond structure so that it is easier to break. Finally, enzymes can also lower activation energies by taking part in the chemical reaction itself. In these cases, it is important to remember that the enzyme will always return to its original state by the completion of the reaction. One of the hallmark properties of enzymes is that they remain ultimately unchanged by the reactions they catalyze. After an enzyme has catalyzed a reaction, it releases its product(s) and can catalyze a new reaction.

It would seem ideal to have a scenario in which all of an organism's enzymes existed in abundant supply and functioned optimally under all cellular conditions, in all cells, at all times. However, a variety of mechanisms ensures that this does not happen. Cellular needs and conditions constantly vary from cell to cell, and change within individual cells over time. The required enzymes of stomach cells differ from those of fat storage cells, skin cells, blood cells, and nerve cells. Furthermore, a digestive organ cell works much harder to process and break down nutrients during the time that closely follows a meal compared with many hours after a meal. As these cellular demands and conditions vary, so must the amounts and functionality of different enzymes.

Since the rates of biochemical reactions are controlled by activation energy, and enzymes lower and determine activation energies for chemical reactions, the relative amounts and functioning of the variety of enzymes within a cell ultimately determine which reactions will proceed and at what rates. This determination is tightly controlled in cells. In certain cellular environments, enzyme activity is partly controlled by environmental factors like pH, temperature, salt concentration, and, in some cases, cofactors or coenzymes.

Enzymes can also be regulated in ways that either promote or reduce enzyme activity. There are many kinds of molecules that inhibit or promote enzyme function, and various mechanisms by which they do so. In some cases of enzyme inhibition, an inhibitor molecule is similar enough to a substrate that it can bind to the active site and simply block the substrate from binding. When this happens, the enzyme is inhibited through competitive inhibition , because an inhibitor molecule competes with the substrate for binding to the active site.

On the other hand, in noncompetitive inhibition , an inhibitor molecule binds to the enzyme in a location other than the active site, called an allosteric site, but still manages to prevent substrate binding to the active site. Some inhibitor molecules bind to enzymes in a location where their binding induces a conformational change that reduces the enzyme activity as it no longer effectively catalyzes the conversion of the substrate to product. This type of inhibition is called allosteric inhibition (Figure 4.9). Most allosterically regulated enzymes are made up of more than one polypeptide, meaning that they have more than one protein subunit. When an allosteric inhibitor binds to a region on an enzyme, all active sites on the protein subunits are changed slightly such that they bind their substrates with less efficiency. There are allosteric activators as well as inhibitors. Allosteric activators bind to locations on an enzyme away from the active site, inducing a conformational change that increases the affinity of the enzyme’s active site(s) for its substrate(s) (Figure 4.9).

Career Connection

Pharmaceutical Drug Developer

Enzymes are key components of metabolic pathways. Understanding how enzymes work and how they can be regulated are key principles behind the development of many of the pharmaceutical drugs on the market today. Biologists working in this field collaborate with other scientists to design drugs (Figure 4.10).

Consider statins for example—statins is the name given to one class of drugs that can reduce cholesterol levels. These compounds are inhibitors of the enzyme HMG-CoA reductase, which is the enzyme that synthesizes cholesterol from lipids in the body. By inhibiting this enzyme, the level of cholesterol synthesized in the body can be reduced. Similarly, acetaminophen, popularly marketed under the brand name Tylenol, is an inhibitor of the enzyme cyclooxygenase. While it is used to provide relief from fever and inflammation (pain), its mechanism of action is still not completely understood.

How are drugs discovered? One of the biggest challenges in drug discovery is identifying a drug target. A drug target is a molecule that is literally the target of the drug. In the case of statins, HMG-CoA reductase is the drug target. Drug targets are identified through painstaking research in the laboratory. Identifying the target alone is not enough scientists also need to know how the target acts inside the cell and which reactions go awry in the case of disease. Once the target and the pathway are identified, then the actual process of drug design begins. In this stage, chemists and biologists work together to design and synthesize molecules that can block or activate a particular reaction. However, this is only the beginning: If and when a drug prototype is successful in performing its function, then it is subjected to many tests from in vitro experiments to clinical trials before it can get approval from the U.S. Food and Drug Administration to be on the market.

Many enzymes do not work optimally, or even at all, unless bound to other specific non-protein helper molecules. They may bond either temporarily through ionic or hydrogen bonds, or permanently through stronger covalent bonds. Binding to these molecules promotes optimal shape and function of their respective enzymes. Two examples of these types of helper molecules are cofactors and coenzymes. Cofactors are inorganic ions such as ions of iron and magnesium. Coenzymes are organic helper molecules, those with a basic atomic structure made up of carbon and hydrogen. Like enzymes, these molecules participate in reactions without being changed themselves and are ultimately recycled and reused. Vitamins are the source of coenzymes. Some vitamins are the precursors of coenzymes and others act directly as coenzymes. Vitamin C is a direct coenzyme for multiple enzymes that take part in building the important connective tissue, collagen. Therefore, enzyme function is, in part, regulated by the abundance of various cofactors and coenzymes, which may be supplied by an organism’s diet or, in some cases, produced by the organism.

Feedback Inhibition in Metabolic Pathways

Molecules can regulate enzyme function in many ways. The major question remains, however: What are these molecules and where do they come from? Some are cofactors and coenzymes, as you have learned. What other molecules in the cell provide enzymatic regulation such as allosteric modulation, and competitive and non-competitive inhibition? Perhaps the most relevant sources of regulatory molecules, with respect to enzymatic cellular metabolism, are the products of the cellular metabolic reactions themselves. In a most efficient and elegant way, cells have evolved to use the products of their own reactions for feedback inhibition of enzyme activity. Feedback inhibition involves the use of a reaction product to regulate its own further production (Figure 4.11). The cell responds to an abundance of the products by slowing down production during anabolic or catabolic reactions. Such reaction products may inhibit the enzymes that catalyzed their production through the mechanisms described above.

The production of both amino acids and nucleotides is controlled through feedback inhibition. Additionally, ATP is an allosteric regulator of some of the enzymes involved in the catabolic breakdown of sugar, the process that creates ATP. In this way, when ATP is in abundant supply, the cell can prevent the production of ATP. On the other hand, ADP serves as a positive allosteric regulator (an allosteric activator) for some of the same enzymes that are inhibited by ATP. Thus, when relative levels of ADP are high compared to ATP, the cell is triggered to produce more ATP through sugar catabolism.


4.1: Energy Flow through Ecosystems - Geosciences

An ecosystem consists of a community of living organisms interacting with each other and the environment. The source of energy that fuels most ecosystems is the Sun. Plants use the Sun's energy to produce food in a process called photosynthesis. Organisms that use energy from the Sun or energy stored in chemical compounds to produce their own nutrients are called autotrophs. They are also called producers because most other organisms depend on autotrophs for nutrients and energy. Heterotrophic organisms that cannot make their own food may obtain nutrients by eating other organisms. A heterotroph that feeds only on plants is called an herbivore. Herbivores are also called first order heterotrophs. Carnivores that feed on herbivores are called second order heterotrophs. Carnivores that feed on other carnivores are called third order heterotrophs. A food chain is a simple model of how energy and matter move through an ecosystem.

Each level of production and consumption in a food chain is a trophic level. The autotrophs form the first trophic level, first order heterotrophs (herbivores) constitute the second trophic level, second order heterotrophs the third trophic level, and third order heterotrophs are layered on top.

In the pyramid of energy, the energy moves in only one direction and decreases at each succeeding trophic level. The total energy transfer from one trophic level to the next is, in general, only about ten percent or less. This is called the energy conversion efficiency. Organisms fail to capture and eat all the food available at the trophic level below them. The food consumers ingest is used to metabolize and build body tissues. Some food is given off as waste. The energy lost at each trophic level enters the environment as heat.

A pyramid of biomass expresses the weight of living material at each trophic level. Biomass is calculated by finding the average weight of each species at that trophic level and multiplying the weight by the estimated number of organisms in each population. In terrestrial ecosystems, biomass decreases as the trophic level increases. In contrast to terrestrial ecosystems, freshwater and marine ecosystems have less primary producer biomass than biomass present at higher trophic levels, leading to an inverted biomass pyramid. This is because algae and phytoplankton have a shorter lifespan, are more edible than terrestrial plants, and are more rapidly grazed. Their biomass does not accumulate.

In this exploration, you will study and analyze five simplified model ecosystems: a deciduous forest, a hot desert, a freshwater lake, grassland, and an Antarctic ocean shore. Many more plant and animal species would be involved in a real-world ecosystem. The field notes for each model ecosystem present a profile of the plant and animal inventory for each ecosystem.

Procédure
1. Select the icon next to the animals' and plants' names from the Field Notes tablet and drag and drop them to the appropriate trophic level in the ecosystem pyramid.

2. Click the Check button when all the names have been placed in the ecosystem pyramid to verify the accuracy of animal and plant assignments to the appropriate trophic level. For each accurate placement, the names of the animals are replaced with pictures and the number of each kind of animal is displayed beneath it.

3. Click the Pyramid of Energy button to display numbers indicating amounts of energy.

4. Click the Pyramid of Numbers button to display numbers indicating numbers of plants and animals.

5. Analyze this data by calculating the conversion efficiency for each trophic level for each of the five ecosystems and record the results in the Data Table. The energy conversion efficiency is calculated by dividing the energy at the higher trophic level by the energy at the lower level to obtain a ratio. Enter the value as a decimal number.

6. When all the data are recorded in the Data Table and analyzed, answer the Journal Questions.


4.1 Ecosystems and energy flow

When certain chemicals enters the food chains, they may accumulate in the fatty tissues or bones and increase in amount for every step in the food chain. Persistent Organic Pollutants (POPs) are regarded as particularly dangerous accumulating chemicals.

Ecosystems can be disrupted

Eosystems may change suddenly or over time. If the change happens over a long period of time, most species can adapt to the new conditions.

Puffin (Alca arctica), Noss, Shetland Islands. Vulnerable species due to changes in the environment and overfishing. Photo: P. Prokosch

Ecosystems may be disrupted through natural causes, such as a natural change in climate, or natural disasters like earthquakes, volcanic eruptions and tsunamies. Human activities may also disrupt ecosystems, locally as well as globally. Human activities may enhance existing natural processes or cycles, such as the greenhouse effect, or create completely new conditions, such as depleting the ozone layer with ozone depleting chemicals, or add POPs to the energy flow in the food chains.

Pollution through high concentrations of waste and secreta may affect water bodies and cause eutrophication.

Services de l'écosystème
Ecosystem services are the benefits people obtain from ecosystems. These include provisioning services such as food, water, timber, and fiber regulating services that affect climate, floods, disease, wastes, and water quality cultural services that provide recreational, aesthetic, and spiritual benefits and supporting services such as soil formation, photosynthesis, and nutrient cycling
Millennium Ecosystem Assessment – Synthesis


Section Summary

Ecosystems exist underground, on land, at sea, and in the air. Organisms in an ecosystem acquire energy in a variety of ways, which is transferred between trophic levels as the energy flows from the base to the top of the food web, with energy being lost at each transfer. There is energy lost at each trophic level, so the lengths of food chains are limited because there is a point where not enough energy remains to support a population of consumers. Fat soluble compounds biomagnify up a food chain causing damage to top consumers. even when environmental concentrations of a toxin are low.