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1A5.L’exemple de vie fixée des plantes

La plante, organisme fixé qui doit se nourrir, se protéger et se reproduire ...


I. Se nourrir ...

1. Les échanges avec l'atmosphère grâce aux stomates.


1: limbe de la feuille, 2 : zoom sur l'épiderme, 3 : stomates et cellules épidermiques

En modulant leur ouverture, la plante permet les les échanges avec l'atmosphère :


Stomate ouverte et fermée

Situées au niveau de l'épiderme des feuilles (souvent plus nombreuses sur la face inférieure) et des tiges aériennes, les stomates sont les lieux d’échanges des gaz au gré de leur ouverture ou fermeture selon le moment de la journée et des conditions climatiques :

  • dioxyde de carbone : "entrant" pour la photosynthèse,
  • dioxygène : "sortant", issu de la photosynthèse,

Lien entre ouverture des stomates et intensité photosynthétique

  • et vapeur d'eau : sortante (évapotranspiration)

Bilan. La feuille est ainsi l'interface entre végétal et atmosphère :

Xylème et phloème sont des vaisseaux conducteur (voir ci-dessous)


2. Les relations avec le sol : les poils absorbants des racines, interface avec le sol.

Dans les racines jeunes, la principale surface d'absorption est au niveau de la zone pilifère formée des poils absorbants. Chaque poil est en fait une cellule ; de croissance rapide, ils "vivent" peu de temps puisque renouvelés au fur et à mesure que la racine s'allonge.

Zone pilifère d'une radicule de lentille

De quelques millimètres de longueur, la paroi des poils absorbants  est très fine et perméable à l'eau et aux substances contenues dans le sol.

Zoom sur le rhizoderme avec poils absorbants à la surface

Le nombre de poils absorbants peut atteindre plusieurs milliards ! Cela permet d'augmenter  la surface d'échanges entre la racine et le sol ; cela correspond par exemple, pour
un plant de seigle, à une surface de contact de l'ordre de 400 m² !


Bilan. La racine est ainsi l'interface entre végétal et sol :

3. Des vaisseaux conducteurs assurant le lien et les échanges au sein de la plante.

Les végétaux chlorophylliens sont autotrophes c'est à dire qu' ils produisent leur matière organique en seule présence de matière minérale (eau, dioxyde de carbone, éléments minéraux) à condition d'être éclairés :

- le
CO2
est prélevé dans
l’atmosphère au niveau des stomates*,
 
- les éléments minéraux (azote, phosphore, potassium ...) sont prélevés dans le sol, au niveau des racines, sous forme d’ions dissous dans l’eau.

L'eau, chargée en  ions constitue la  sève dite brute. L’absorption des ions par les poils absorbants racinaires crée un mouvement d’eau dans un système de vaisseaux conducteurs formant le xylème, des racines jusqu'aux feuilles, où ils sont visibles sous forme de nervures. C'est au niveau des feuilles, pour l'essentiel, que se déroule
la photosynthèse.


Composition comparée des sèves brute et élaborée.


Les produits de la photosynthèse (des glucides comme le saccharose notamment) vont être distribués à l'ensemble de la plante par un deuxième système de vaisseaux conducteurs, le phloème, dans lequel circule la sève dite élaborée en "sens inverse" de la précédente.
Tissus conducteurs (coup longitudinale) : xylème et phloème


Les tissus conducteurs forment un ensemble ouvert aux deux extrémités :
depuis les racines où l’eau pénètre, jusqu'au niveau foliaire où, grâce aux stomates -dont l’ouverture est réglable en fonction de l’hydratation de la plante -
l’eau sort de la plante par évapotranspiration.  C'est cette transpiration foliaire, activée par le rayonnement solaire favorisant le passage de l’état liquide à l’état gazeux, qui crée une différence l'ascension de la sève brute entre le sol et les feuilles.

Bilan. Les vaisseaux conducteurs assurent ainsi les échanges au sein de la plante :

- des parties aériennes, photosynthétiques, vers les parties non chlorophylliennes ...

        - et inversement des parties souterraines vers les parties photosynthétiques :

II. La plante, une vaste surface d'échanges.

Extraits de « l’éloge de la plante » Francis Hallé (botaniste, et dendrologue).


La plante, une vaste surface fixe

Chacun sait que l’énergie qu’elle utilise provient directement du Soleil. C’est une énergie véhiculée par des photons, une énergie rayonnante et de haute qualité ; mais son flux est faible seulement 1kilowatt par mètre carré en moyenne, sur la moitié éclairée de la Terre. Une conséquence de la faiblesse relative de ce flux est que la plante, comme tout capteur solaire, doit privilégier ses dimensions linéaires et sa surface au détriment de son volume, une autre conséquence est que le capteur, doit fonctionner aussi fréquemment que possible, et de ce fait, il ne s’arrête que la nuit.

Puisque l’énergie rayonnante arrive directement jusqu’au capteur et quelle est pratiquement ubiquiste (présent partout), un déplacement n’en garantirait pas une meilleure appropriation et, en d’autres termes, la fixation du capteur ne présente pas d’inconvénient. Au demeurant, la mobilité active d’une vaste surface soulèverait d’insolubles problèmes de fardage (prise au vent) et la fixation a l’avantage supplémentaire de permettre l’alimentation en eau à partir du sol par les racines; toutefois, là aussi, la ressource étant faible, la surface de captation doit être très importante.

Une plante est donc essentiellement un volume modeste, une vaste surface aérienne et souterraine, portée par une infrastructure linéaire de très grandes dimensions.

Ressource ubiquiste (= il y en a partout) donc pas besoin de se déplacer, mais en faible quantité qui nécessite une très grande surface d’échange qui fonctionne en permanence.



L’animal, un petit volume mobile

Il s’approprie par sa bouche, puis par son tube digestif, l’énergie contenue dans les aliments ou dans ses proies. L’animal n’a pas besoin comme la plante de se nourrir toute la journée puisque l’aliment ou la proie contiennent beaucoup d’énergie ; par contre, il utilise cette énergie chimique qu’avec un rendement franchement mauvais. En général, ni les aliments, ni les proies ne se présentent spontanément à l’entrée de l’appareil digestif ; il faut donc se les procurer, ce qui requiert la mobilité active. Cette dernière, à son tour, implique une surface modeste, puisque le fardage est proportionnel à la surface. Pour minimiser la surface et les dimensions linéaires, il suffit de privilégier le volume ; cela met en outre tout point du corps à une courte distance de la source d’énergie, d’où une forme qui rappelle la sphère. On sait que cette dernière représente un maximum de volume abrité sous un minimum de surface. Ajoutons à cela la double nécessité de se procurer des proies et d’échapper aux prédateurs. Un animal, c’est donc essentiellement un volume enveloppé dans une surface externe modeste  avec des vastes surfaces internes.

La surface digestive est énorme ; la muqueuse intestinale porte des villosités visibles à l’œil nu, elles-mêmes recouvertes de microvillosités de 1 à 3 μm de longueur. Ces niveaux d’expansion représentent une énorme surface de contact avec les particules alimentaires.

Une homologie indiscutable unit la surface interne et digestive de l’animal à la surface externe et assimilatrice de la plante. Sur le plan de l’appropriation de l’énergie ces deux surfaces s’équivalent. L’animal ? Une plante ahurissante, retournée comme un gant, qui aurait enfoui ses feuilles et ses racines dans son tube digestif. La plante ? Une sorte d’animal fabuleux, retourné dedans-dehors, et qui porterait ses entrailles en guise de pelage.

Ressource qu’il faut aller cherche mais très énergétique. L’organisme n’a donc pas besoin de se nourrir tout le temps mais doit se déplacer facilement d’où un petit volume.


LIEN : "Eloge de la plante : pour une nouvelle biologie"

III. Se défendre face aux agressions extérieures.


1. Se défendre face aux facteurs abiotiques.


  • L'ouverture et la fermeture des stomates, selon le moment de la journée et les conditions climatiques, sont un moyen de lutter contre les pertes en eau . Ainsi lors des heures les plus chaudes de la journée, en l'absence de fermeture des stomates, la plante perdrait son eau.


  • A l'échelle des saisons, la plante évite les perte en eau en hiver en perdant ses feuilles ;

Arbres à deux saisons
          

                et les bourgeons, qui permettront la croissance du végétal, sont formés en fin d’été et en automne et permettent de se protéger du gel pendant l'hiver.


  • Par ailleurs, les moyens de lutte, essentiellement contre les pertes en eau, sont nombreux : feuilles en épines qui réduisent la surface d'échange avec l'atmosphère - chez les conifères par exemple- , cuticule épaisse, imperméable et avec peu de stomates sur la feuille pour la rendre imperméable -chez le lierre -ou encore tissus de réserve chez les cactus dont la tige contient de l'eau.


2. Se défendre face aux facteurs biotiques.



Face aux prédateurs, en l'absence de fuite possible, les plantes ont différentes stratégies de défense : des défenses mécaniques avec les épines, aux défenses chimiques avec la production de substances toxiques en passant par la communication ou la "cohabitation" ; exemple de l'acacia (Acacia drepanolobium ) ...


  • L'acacia produit des épines afin de se défendre face au broutage. Le nombre d’épines sur les branches ainsi que leur longueur varient proportionnellement au taux de consommation !

Koudou se nourrissant de feuilles d'acacia

  • L'acacia produit aussi des tanins, substances chimiques présentes dans les feuilles qui leur donnent un goût amer et les rendent nocives : plus un arbre est brouté et plus il produira de tanins en grande quantité. Il a été démontré que la concentration en tanins des feuilles est liée à la longueur des épines ...
  • Les acacias communiquent : 2 vidéos
    1. Les acacias face aux Koudous (14 ') : LIEN
    2. La force cachée des plantes (43') :

Les plantes communiquent


  • Les acacias cohabitent : des fourmis vivent dans les épines particulières, gonflées, des arbres qui leur fournissent ainsi un habitat de la sève sécrétée tandis que les fourmis  apportent une défense active lorsque les herbivores s'attaquent à l'arbre puisque leur morsure est un vrai supplice(démontré face aux jeunes girafes et aux éléphants).

Acacia aux épines en forme de globe colonisées par des fourmis du genre Crematogastern,

IV. Se reproduire ...

Les Angiospermes ont des organes reproducteurs condensés en une fleur :


Schéma de la fleur

Elle est constituée de pièces insérées sur un réceptacle floral et se disposant en alternance selon plusieurs cercles concentriques : le calice, formé des sépales, la corolle, regroupant les pétales, puis  les étamines (pièces reproductrices mâles) et le pistil (pièce reproductrice femelle).

– Le pistil est composé, à la base, par l'ovaire, dans lequel sont  les ovules et dans sa partie supérieure, le style, avec, au sommet, le stigmate, sur lequel se déposera le pollen ;

– les étamine sont formées d'une anthère contenant le pollen.

Les ovules fécondés se transforment en graines enfermées dans un fruit. 


Comme le montrent des mutant de l'Arabette des dames, l'organisation florale est déterminée par des gènes du développement dont l'expression définit la mise en place des différents verticilles.


Mutants et expression différentielle des gènes (modèle "ABC")

Le dépôt du pollen sur le pistil, lorsque la fécondation est croisée, met souvent en jeu l'intervention d'un animal comme l'abeille, par exemple, porteuse de pollen lors de ses visites successives dans les fleurs. Les êtres vivants interagissent ainsi constamment même entre  individus étrangers à leur espèce. Ces interactions causent souvent une pression de sélection réciproque entre les organismes concernés et on peut observer une coévolution c'est à dire une "transformation" réciproque des deux espèces  suite à leurs influences mutuelles.

Cas du papillon sphinx et de l'orchidée :

Dès 1862, Darwin suggère, à la vue d'une orchidée, Agraecum sesquipedale (« étoile de Madagascar » dont la fleur possède un nectaire très long qui peut atteindre plus de 30 centimètres, qu'il existe un insecte capable de la polliniser ; d’après lui la plante et l’animal se seraient adaptés l’un à l’autre au cours du temps. Quarante ans plus tard, en 1903, on découvrit à Madagascar un grand papillon nocturne, de la famille des Sphingidés, avec une trompe longue de 22 centimètres...


C'est un cas de coévolution qui est illustré ici par une orchidée et son pollinisateur, un sphinx : le papillon est doté d’une trompe presque aussi longue que le nectaire qui lui permet d’accéder au nectar situé au fond ; le papillon entre en contact avec l’orchidée, ce qui lui permet d’enfoncer sa trompe le plus loin possible dans le nectaire et il se couvre alors la tête de pollen qu’il déposera sur d’autres orchidées. Par ailleurs l’allongement du nectaire serait une réponse de l’orchidée à la trompe du papillon. 

Sphinx et fleur "adaptés" réciproquement l'un à l'autre


Ainsi, dans une population d’orchidées, celles qui avaient le nectaire le plus long avaient un avantage sélectif en optimisant le contact des papillons avec les pollinies, et "en retour", les papillons à longue trompe ont un avantage sélectif parce qu’ils récoltaient plus de nectar. Cette coévolution se serait donc ainsi produite graduellement par alternance.