BIOLOGIE AMUSANTE
LA TRANSPIRATION DES PLANTES
On admet que l’apparition de la vie sur Terre, il y a 3.5 milliard d’années, s’est très vraisemblablement produite dans l’eau. L’eau représente d’ailleurs les trois quarts des constituants chimiques des êtres vivants et la chimie des êtres vivants est une chimie des solutions aqueuses. C’est pourquoi les propriétés physico-chimiques des molécules d’eau permettent de comprendre pour une large part les réactions chimiques se déroulant au sein des cellules.
Les cellules exploitent de façon remarquable les propriétés particulières des molécules d’eau. Ainsi, les interactions entre l’eau et les autres constituants chimiques du vivant (ions, protéines, acides nucléiques etc.) reposent sur ses propriétés d’excellent solvant, sur son aptitude à l’ionisation, sur sa capacité à former des liaisons faibles, comme les liaisons hydrogène, avec diverses molécules et à l’impossibilité de se lier aux molécules hydrophobes. L’eau des cellules sert également de " tampon thermique " en limitant les variations brusques de température et sa chaleur de vaporisation est mise à profit pour refroidir les êtres vivants.
L’eau est donc une des substances essentielles des êtres vivants et la plupart des animaux meurent lorsque leur contenu en eau chute en dessous d’un seuil critique (chez l’homme 10 % du poids corporel alors que l’eau en représente
75 %). A l’inverse, la dessiccation est mise à profit lorsqu’il s’agit de durer en survivant au ralenti comme chez les semences des végétaux.
Chez les animaux, le système circulatoire fonctionne en circuit fermé et de multiples mécanismes physiologiques tendent à limiter le plus possible les pertes d’eau. Certains mammifères adaptés à la vie désertique, comme les gerboises par exemple, sont même capables de ne pratiquement pas perdre d’eau et n’ont pas besoin de boire.
Chez les plantes, au contraire, le système circulatoire est ouvert sur l’extérieur et l’eau les traverse avant d’être réémise dans l’atmosphère sous forme de vapeur. Ainsi, on estime qu’un arbre isolé absorbe dans le sol environ une demi-tonne d’eau par jour et perd quotidiennement quasiment la même quantité. A surface égale, une forêt libère plus d’eau dans l’atmosphère que la mer d’où l’importance cruciale des forêts pour la formation des climats.
Dans la plante, l’eau chargée de sels dissous est absorbée par les racines et constitue la sève brute. Elle est transportée par les vaisseaux du bois, un ensemble de canalisations rigides. Ces vaisseaux sont constitués de cellules mortes de forme cylindrique mises bout à bout dont les parois transversales ont disparu. Ces vaisseaux distribuent l’eau et les substances dissoutes à l’ensemble de la plante. Les substances organiques élaborées dans les feuilles par la photosynthèse sont transportées et distribuées à l’ensemble de la plante par un autre système, les vaisseaux du liber, constitués de cellules vivantes.
Si l’on considère les arbres et notamment les plus grands comme les Séquoias qui peuvent atteindre une centaine de mètres, leur capacité à élever l’eau vers la cime dépasse largement celle des pompes fabriquées par l’homme. Quel est le moteur de ce transport ?
En fait, les plantes ne possèdent pas leur propre moteur pour faire monter la sève brute dans les vaisseaux du bois. Elles exploitent simplement un phénomène purement physique, l’évaporation. Au niveau des feuilles, de petits orifices ménagés dans l’épiderme, les stomates, mettent en communication les tissus sous-jacents riches en eau avec l’atmosphère. L’eau s’évapore à ce niveau, en fonction des conditions climatiques (humidité relative et agitation de l’air, température), " tirant " la colonne d’eau remplissant les vaisseaux et assurant ainsi l’absorption racinaire et la distribution de la sève brute. Tant que la colonne d’eau est continue, la circulation est assurée. Ce phénomène, la transpiration foliaire, assure ainsi l’approvisionnement en eau des plantes. Cependant c’est également à travers les stomates qu’est prélevé le dioxyde de carbone atmosphérique nécessaire à la photosynthèse. Aussi, les plantes doivent à toute instant réaliser un compromis entre la nécessité, d’une part, de s’approvisionner en eau par les racines et en CO2 par les stomates et, d’autre part, de limiter les pertes d’eau dans l’atmosphère par ces mêmes stomates, en particulier lorsque le sol contient peu d’eau. Elles disposent pour cela de dispositifs de contrôle de la transpiration : le degré d’ouverture des stomates est réglable par la plante selon les conditions internes et externes. En cas de risque de " stress hydrique ", par exemple lorsque le sol est sec ou lorsque l’évaporation devient trop importante en raison de la chaleur ou du vent, ils se ferment. Au contraire, si l’approvisionnement en eau est assuré, que l’évaporation n’est pas excessive et s’il y a de la lumière, ils s’ouvrent permettant une photosynthèse active.
L’ouverture des stomates contrôle donc indirectement les principaux processus physiologiques des plantes. Elle est réglée par des mécanismes moléculaires complexes, pas encore entièrement élucidés.
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EXPERIENCE
Mesurons la transpiration d’une plante
Matériel nécessaire
Un petit plan de lierre panaché (environ 25 F chez les fleuristes), un flacon avec goulot étroit, de la pâte adhésive (type " UHU PAC ") ou de la pâte à modeler, une seringue de 10 mL avec une aiguille pour intramusculaire, un morceau de tuyau transparent d’une trentaine de cm de long (tuyau d’aquarium ou de perfusion de petit diamètre intérieur), une lampe (spot halogène).
Préparation du matériel
Remplir le flacon avec de l’eau.
Sortir la plante de son pot et passer les racines sous l’eau pour enlever le plus gros de la terre. Enrober dans la pâte la base de la tige, l’aiguille de la seringue et une extrémité du tuyau. Tasser la pâte dans le goulot et la rabattre tout autour de façon à réaliser un bouchon étanche. C’est la principale difficulté : tout défaut d’étanchéité empêchera les mesures.
Remplir la seringue avec de l’eau et la placer sur l’aiguille. Injecter doucement l’eau jusqu’à ce que le tuyau se remplisse jusqu’à son extrémité.
Le déplacement de l’eau dans le tuyau témoigne du volume d’eau émise par la transpiration foliaire. Connaissant le diamètre intérieur du tube, il est aisé de calculer le volume d’eau transpiré par unité de temps.
Mesures
Pour observer l’influence de la lumière sur le phénomène, placer d’abord la plante pendant quelques temps sous un cache et mesurer le déplacement à intervalles réguliers. Enlever ensuite le cache et éclairer la plante avec une lampe avant de refaire quelques mesures. Calculer le volume d’eau dans chaque cas et construire le graphique exprimant le volume d’eau en fonction du temps dans les différentes conditions. Le graphique ci-dessous en donne un exemple, la lumière ayant été allumée à 15 minutes et éteinte à 50.
Chez le lierre, il y a environ 80 stomates par mm2
sur la face inférieure des feuilles et aucun sur la face supérieure. Dans l’exemple étudié ici, le plant en expérience portait 8 feuilles d’environ 35 mm x 40 mm chacune. On peut ainsi calculer le volume d’eau émis par chaque stomate à chaque instant.
Le dispositif permet également de tester l’effet de l’agitation et de la température de l’air en utilisant un sèche-cheveux
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