Chaîne alimentaire : définition, niveaux trophiques et exemples concrets

La chaîne alimentaire est l'un des concepts les plus fondamentaux en écologie. Elle décrit le transfert d'énergie et de matière entre les organismes vivants au sein d'un écosystème. Chaque maillon de cette chaîne représente un niveau trophique, du producteur primaire (plante, algue) au superprédateur (requin, aigle). Pourtant, cette vision linéaire — plante → herbivore → carnivore → superprédateur — reste une simplification. Dans la réalité, les espèces interagissent au sein de réseaux trophiques complexes, où un même organisme peut occuper plusieurs niveaux selon son régime alimentaire opportuniste. Comprendre ces mécanismes permet d'expliquer des phénomènes aussi variés que la bioaccumulation de polluants chez les prédateurs ou les cascades trophiques spectaculaires observées après la réintroduction du loup à Yellowstone.

Une chaîne alimentaire est une séquence linéaire qui montre qui mange qui dans un écosystème. Elle commence toujours par un producteur primaire (autotrophe) capable de fabriquer sa propre matière organique via la photosynthèse ou la chimiosynthèse. L'énergie circule ensuite de manière unidirectionnelle vers les consommateurs successifs.

Exemple typique en milieu marin :

• Phytoplancton (producteur)
• → Zooplancton (consommateur primaire)
• → Sardine (consommateur secondaire)
• → Thon (consommateur tertiaire)
• → Requin (superprédateur)

Chaque flèche représente un transfert d'énergie sous forme de biomasse consommée. Ce modèle linéaire est utile pédagogiquement, mais il masque la complexité du réel. Dans la nature, la sardine peut aussi manger du phytoplancton directement, et le thon n'est pas l'unique proie du requin. C'est pourquoi les écologues préfèrent parler de réseau trophique : un ensemble de chaînes alimentaires interconnectées, où chaque espèce peut occuper plusieurs niveaux trophiques selon les circonstances.

Le réseau trophique est donc un modèle plus réaliste de la biodiversité. Il intègre les relations omnivores (espèces qui consomment à la fois des plantes et des animaux), les interactions de détritivorie (organismes qui se nourrissent de matière organique morte) et les relations parasitaires. Cette complexité confère une plus grande résilience écologique : si une espèce disparaît, d'autres proies ou prédateurs peuvent combler partiellement le vide.

Les niveaux trophiques structurent la chaîne alimentaire en étages fonctionnels :

Niveau 1 : Producteurs primaires (autotrophes)

Les producteurs fabriquent leur propre matière organique à partir de matière minérale, de CO₂ et d'eau, grâce à la photosynthèse (plantes terrestres, algues, phytoplancton) ou plus rarement à la chimiosynthèse (bactéries des sources hydrothermales océaniques). Ils constituent la base énergétique de presque tous les écosystèmes terrestres et aquatiques. On estime que les producteurs terrestres fixent environ 50 à 60 Gt (gigatonnes) de carbone par an via la photosynthèse, tandis que les océans en fixent 45 à 50 Gt supplémentaires.

Niveau 2 : Consommateurs primaires (herbivores)

Les herbivores se nourrissent exclusivement ou principalement de végétaux. Ils occupent le deuxième niveau trophique. Exemples : lapins, chenilles, éléphants, zooplancton (copépodes, larves de crustacés). Leur rôle est crucial pour transférer l'énergie végétale vers les niveaux supérieurs. Dans les prairies, les herbivores comme les bisons ou les zèbres régulent la biomasse végétale et favorisent la diversité floristique en empêchant la dominance d'espèces compétitives.

Niveau 3 : Consommateurs secondaires (carnivores de premier ordre)

Ces carnivores se nourrissent d'herbivores. Exemples : renards, serpents, sardines, araignées. Ils peuvent aussi être omnivores (renard mange également des fruits). Le renard roux, par exemple, consomme principalement des campagnols et des souris, mais intègre jusqu'à 30 % de végétaux (fruits, baies) dans son régime saisonnier.

Niveau 4 : Consommateurs tertiaires (superprédateurs)

Les superprédateurs occupent le sommet de la chaîne. Ils n'ont pas ou peu de prédateurs naturels à l'âge adulte. Exemples : aigles, requins, orques, loups. Ils régulent les populations de consommateurs secondaires et exercent un effet top-down sur l'ensemble du réseau trophique. L'orque épaulard, par exemple, peut consommer jusqu'à 200 kg de nourriture par jour (phoques, lions de mer, parfois requins ou baleines grises).

Les décomposeurs : fermer la boucle

Les décomposeurs (champignons, bactéries, vers de terre, insectes saprophages) ne forment pas un niveau trophique au sens strict, mais jouent un rôle essentiel : ils dégradent la matière organique morte (cadavres, excréments, feuilles mortes) et recyclent les nutriments (azote, phosphore, carbone) dans le sol et l'eau. Sans eux, les écosystèmes s'effondreraient sous l'accumulation de biomasse morte. Un hectare de forêt tempérée contient en moyenne 1 à 2 tonnes de lombrics, qui ingèrent et brassent jusqu'à 200 tonnes de sol par an.

En 1942, l'écologue américain Raymond Lindeman a formalisé un principe fondamental : seulement 10 % environ de l'énergie contenue dans un niveau trophique est transférée au niveau supérieur. Les 90 % restants sont perdus sous forme de :

• Respiration cellulaire (production d'ATP)
• Thermorégulation (chaleur corporelle chez les endothermes)
• Excrétion (urée, matières fécales non digérées)
• Décomposition (cadavres, parties non consommées)

Cette règle explique pourquoi les chaînes alimentaires comptent rarement plus de 4 à 5 maillons : au-delà, l'énergie disponible devient insuffisante pour soutenir une population de prédateurs supérieurs viable. Si un hectare de prairie fixe 10 000 kcal d'énergie solaire via la photosynthèse, les herbivores n'en récupèrent que 1 000 kcal, les carnivores de premier ordre 100 kcal, et les superprédateurs 10 kcal seulement.

Les trois pyramides écologiques

Charles Elton a introduit en 1927 le concept de pyramide des nombres, qui représente le nombre d'individus à chaque niveau. Généralement, il y a plus d'herbivores que de carnivores. Toutefois, cette pyramide peut être inversée : un grand arbre (1 producteur) nourrit des milliers d'insectes (consommateurs primaires).

La pyramide des biomasses mesure la masse totale de matière vivante à chaque niveau. Elle est souvent plus stable que celle des nombres, mais peut aussi être inversée temporairement en milieu aquatique : le phytoplancton (biomasse faible mais renouvellement rapide) soutient une biomasse de zooplancton supérieure.

La pyramide des énergies, en revanche, ne peut jamais être inversée : elle respecte le deuxième principe de la thermodynamique. L'énergie diminue toujours en remontant les niveaux trophiques, quelle que soit la structure de l'écosystème.

Nuance importante : l'efficacité du transfert énergétique varie selon les groupes. Elle est plutôt de 5 à 10 % chez les mammifères endothermes (coût énergétique élevé de la thermorégulation), mais peut atteindre 15 à 20 % chez les reptiles ectothermes ou les poissons (économie d'énergie, pas de dépense pour maintenir une température corporelle constante).

Certains polluants liposolubles (solubles dans les graisses) et non biodégradables s'accumulent dans les tissus adipeux des organismes vivants. Ce phénomène se nomme bioaccumulation. Lorsque ces polluants se concentrent à chaque maillon de la chaîne alimentaire, on parle de bioamplification (ou biomagnification). Les superprédateurs en subissent les concentrations les plus toxiques.

Le DDT : l'effondrement des aigles chauves

Le DDT (dichlorodiphényltrichloroéthane) est un insecticide massivement utilisé après 1945. Dans les années 1960, les populations d'aigles à tête blanche et de faucons pèlerins s'effondrent aux États-Unis. Le biologiste Charles Broley constate que les coquilles d'œufs sont 20 à 30 % plus fines qu'avant : elles se brisent sous le poids des parents lors de la couvaison. Le DDT et son métabolite DDE perturbent le métabolisme du calcium. L'interdiction du DDT en 1972 (Silent Spring de Rachel Carson joue un rôle majeur) permet le retour progressif de ces espèces emblématiques.

Le mercure : bioamplification marine

Le méthylmercure (forme organique du mercure) est produit par des bactéries dans les sédiments aquatiques. Il remonte la chaîne alimentaire avec un facteur de bioconcentration (BCF) de 2 000 à 10 000 chez les poissons prédateurs (thon, espadon, brochet). L'OMS recommande une limite de 0,5 µg de mercure par kg de poids corporel et par semaine pour les femmes enceintes et allaitantes. Un filet de 150 g de thon rouge peut contenir jusqu'à 75 µg de méthylmercure, soit la moitié de la dose hebdomadaire tolérable pour une femme de 60 kg.

Les PCB : troubles immunitaires chez les mammifères marins

Les polychlorobiphényles (PCB), utilisés comme isolants dans les transformateurs électriques, sont interdits depuis les années 1980 mais persistent dans l'environnement. Des études sur les orques du Pacifique Nord-Est montrent des concentrations de PCB atteignant 100 à 200 mg/kg de graisse, soit 100 fois la limite sanitaire pour la consommation humaine. Ces niveaux sont associés à une immunosuppression, une baisse de la fécondité et des troubles endocriniens chez les dauphins et les orques.

Point commun de ces polluants : ils sont liposolubles (stockés dans les graisses) et persistants (demi-vie de plusieurs années ou décennies dans l'environnement).

Une cascade trophique se produit lorsqu'un changement au sommet de la chaîne alimentaire déclenche des effets en cascade sur tous les niveaux inférieurs. L'exemple le plus célèbre est la réintroduction du loup gris dans le parc national de Yellowstone (Wyoming, États-Unis).

Contexte historique

Les loups ont été exterminés de Yellowstone en 1926 par les éleveurs et les autorités du parc. En leur absence, les populations de wapitis (elk en anglais, Cervus canadensis) explosent et atteignent 20 000 individus dans les années 1990. Le surpâturage dégrade sévèrement la végétation des vallées et des berges de rivières : les jeunes trembles, saules et peupliers sont broutés avant de pouvoir grandir.

Réintroduction et effets

En 1995, 14 loups capturés au Canada sont relâchés à Yellowstone. En 1996, 17 autres individus suivent. Les effets sont rapides :

• Les wapitis modifient leur comportement : ils évitent les vallées ouvertes et les berges (zones de chasse préférées des loups) et se réfugient dans les forêts denses. Ce phénomène s'appelle "l'écologie de la peur" (landscape of fear).
• La végétation se régénère : la taille moyenne des trembles et des saules est multipliée par 5 en seulement 6 ans. Une étude de 2018 montre que la couverture en saules a augmenté de plus de 1 500 % en 20 ans dans certaines zones.
• Le retour de la végétation favorise les castors, qui construisent des barrages. En 1995, il n'y avait qu'une seule colonie de castors à Yellowstone. En 2020, on en compte plus de 10. Les barrages créent des zones humides qui abritent amphibiens, libellules, poissons.
• Les aigles royaux, corbeaux et ours grizzlis bénéficient des carcasses laissées par les loups (kleptoparasitisme).
• La végétation riveraine stabilise les berges, réduisant l'érosion et modifiant même le cours des rivières dans certaines sections (phénomène débattu).

Nuances scientifiques

Une vidéo virale de 2014 ("How Wolves Change Rivers", 45 millions de vues) a popularisé ce récit. Toutefois, plusieurs études nuancent le tableau :

• L'augmentation des grizzlis (prédateurs de jeunes wapitis) et les variations climatiques (sécheresses, hivers rigoureux) ont aussi contribué au déclin des wapitis.
• La régénération des trembles est variable : certaines zones montrent une repousse spectaculaire, d'autres restent stagnantes.
• Les loups ne sont qu'un facteur parmi d'autres dans cette cascade trophique, pas l'unique moteur.

L'écologie de Yellowstone reste multicausale, mais l'exemple illustre bien l'importance des prédateurs apex dans la régulation des écosystèmes.

Surpêche et collapse trophique

La surpêche des grands prédateurs (thons, espadons, requins) a déséquilibré les réseaux trophiques marins. En Méditerranée et dans l'Atlantique, l'effondrement des populations de prédateurs a entraîné une explosion des méduses (consommateurs de zooplancton), qui entrent en compétition avec les larves de poissons et perturbent les écosystèmes côtiers.

Déforestation et simplification des réseaux

La déforestation en Amazonie, en Indonésie ou au Congo réduit drastiquement le nombre de maillons trophiques. Les espèces spécialistes (prédateurs de niche) disparaissent en premier, laissant place à des espèces généralistes (rats, corbeaux). La complexité du réseau trophique diminue, réduisant la résilience écologique face aux perturbations.

Espèces invasives : la perche du Nil au lac Victoria

Introduite dans le lac Victoria (Afrique de l'Est) dans les années 1950 pour la pêche commerciale, la perche du Nil (Lates niloticus) a provoqué l'extinction de plus de 200 espèces de cichlidés endémiques en moins de 40 ans. Ce prédateur vorace a restructuré la chaîne alimentaire, favorisant les espèces de petite taille et éliminant les herbivores qui régulaient les algues. Le lac subit désormais des épisodes d'eutrophisation fréquents.

Eutrophisation et zones mortes

L'eutrophisation (enrichissement excessif en nutriments) favorise la prolifération d'algues, qui consomment l'oxygène dissous lors de leur décomposition. Ces zones mortes (hypoxiques ou anoxiques) éliminent les consommateurs secondaires et tertiaires. La zone morte du golfe du Mexique, alimentée par les nitrates du Mississippi, couvre en moyenne 22 000 km² chaque été, soit la surface de la Nouvelle-Angleterre.

La chaîne alimentaire, concept apparemment simple, révèle une complexité insoupçonnée dès qu'on l'examine à la lumière des réseaux trophiques réels. La règle des 10 % de Lindeman explique pourquoi l'énergie se raréfie en remontant les niveaux, tandis que les phénomènes de bioaccumulation montrent comment cette structure amplifie les impacts toxiques des polluants. Les cascades trophiques, comme celle observée à Yellowstone, démontrent que les superprédateurs ne sont pas de simples maillons terminaux, mais des régulateurs clés de la santé écologique. À l'heure où la surpêche, la déforestation et les espèces invasives bouleversent ces équilibres millénaires, comprendre les chaînes alimentaires devient un enjeu de conservation majeur. Préserver la biodiversité, c'est aussi maintenir la complexité des interactions trophiques qui fondent la résilience des écosystèmes face au changement global.