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L'eau à découvert

 | 
Agathe Euzen
, 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Deuxième partie. H2O : aspects fondamentaux

19. Comment les arbres pompent-ils l'eau ?

Christophe Clanet and Alexandre Ponomarenko

Full text

1Les plantes fabriquent leur matière première par photosynthèse (cf. II.17) à partir d'eau, de lumière et de dioxyde de carbone (CO2). Celles qui vivent dans l'océan, comme le phytoplancton*, possèdent tous ces ingrédients à profusion (le CO2 est très abondant dans l'eau, de l'ordre de 50g/m3). En revanche, les plantes qui vivent sur Terre sont à l'interface entre le sol et l'air. Leurs organes photosynthétiques (feuilles ou épines) sont déployés dans l'air et récupèrent donc énormément de lumière, mais la concentration en CO2 est 50 fois plus faible (1 g/m3) que dans les océans. Qui plus est, l'eau est éloignée, car enfouie dans le sol. Ces plantes doivent donc acheminer l'eau du sol vers leurs organes photosynthétiques et cette situation peut devenir extrême pour les arbres, qui, par définition, sont des plantes qui mesurent plus de 5 m de hauteur (figure 1a) et qui peuvent atteindre jusqu’à 100 m (les séquoias géants). Pour un chêne qui mesure 15 m, 100 litres d'eau sont captés chaque jour par ses racines, puis acheminés dans des conduits, le xylème*, de 100 µm de diamètre (figure 1b-c) dédiés au transport de la sève sur une distance d'environ 30 m (15 m de racines plus 15 m de tronc) et ce jusqu'aux feuilles. Au niveau de ces dernières, la quasi-totalité des 100 litres d'eau s'évapore dans l'air. Ce qui reste est utilisé pour la photosynthèse et pour transporter les sucres produits vers les parties en croissance (feuilles, branches et racines) à travers un autre type de conduits, le phloème* (figure 1b). Ainsi, de la même façon qu'il y a une circulation sanguine, il existe une circulation de la sève, qui sert à transporter les nutriments d'un endroit à l'autre, à réparer et à grossir. Cependant, l'arbre n'a pas un cœur contractile comme la plupart des animaux. Pour la partie ascendante (xylème), il utilise un « cœur » capillaro-évaporatif, dont le principe est décrit par la suite. Pour la partie descendante (phloème), l'arbre dispose d'un « cœur » osmotique.

Fig. 1 – a) Sève ascendante et descendante dans un arbre. b) Zoom sur une section de bois. Xylème : sève ascendante ; phloème : sève descendante. c) Zoom sur les conduits de sève ascendante. d) Feuille de chêne. e) Zoom sur une tranche de feuille avec chambre stomatale (zone d'évaporation), stomate (régulation de l'évaporation), arrivée de l'eau (zone bleue) et départ de l'eau (zone rouge). f) Stomates ouvertes et fermées vues de face. Source C. Claret

Fig. 2 – a) Ascension capillaire de café dans un sucre. b) Ascension capillaire dans des tubes. c) La conduction de la sève dans l'arbre se fait dans des conduits micrométriques connectés à des pores nanométriques dans les feuilles, où le pompage est causé par évaporation. Source C. Claret

Un cœur capillaro-évaporatif

2La capillarité* décrit (entre autre) l'affinité des liquides avec les surfaces. Elle s'illustre notamment quand cette affinité s'oppose à la gravité, comme l'ascension du café dans un sucre (figure 2a). Jusqu'à quelle hauteur le sucre peut-il faire monter le café ? Cela dépend de la taille des pores qui se trouvent dans le sucre. La figure 2b montre des tubes de différents rayons en contact avec un liquide mouillant : plus leur rayon est petit, plus le liquide monte haut. Dans le sucre, la taille des pores est d'environ 100 µm et le café peut monter jusqu'à environ 10 cm. Pour monter l'eau en haut d'un arbre (au maximum 100 m) il faut des pores plus petits que 150 nm. Ces pores se trouvent sur les parois des cellules qui forment la chambre stomatale* (figure 1e) et ont des dimensions d'environ 5 nm, ce qui est suffisamment petit pour hisser la sève des racines aux feuilles. Par contre les conduits du xylème sont, en comparaison, très larges : environ 100 µm de diamètre, ce qui facilite le transport (figure 2c).

3La capillarité maintient une colonne d'eau liquide des feuilles aux racines, mais n’assure pas le transport. C'est l'évaporation au niveau des feuilles et la diffusion de l'eau vers l'air qui crée le flux (cf. III.19). La sève qui arrive dans les stomates* s’évapore et laisse de l'espace à la sève juste derrière qui vient la remplacer. Ce remplacement de proche en proche est semblable à ce qui se passe à un péage d'autoroute un jour de bouchon. Les quelques voitures qui franchissent le péage sont immédiatement remplacées et permettent un écoulement lent du bouchon vers le péage. Dans le cas de l'arbre, les stomates jouent le rôle du péage. En se fermant, elles peuvent stopper l'évaporation de la sève (figure 1f). Concernant l’ordre de grandeur du taux d’évaporation, nous pouvons prendre l’exemple d’un drap humide d'1 m2 qui contient environ 50 ml d'eau. Ce drap met quelques heures à sécher, ce qui fait 200 ml par jour par m2. Avec une évaporation aussi rapide que celle du drap pendant une journée, la surface importante des feuilles des arbres, 500 m2 pour notre chêne, permet d'évaporer 100 l de sève par jour, ce qui est le bon ordre de grandeur.

Risque d'embolie dans l'arbre

4Ce cœur capillaro-évaporatif peut aussi être victime « d’infarctus » ou, plus exactement, d’embolies. Une façon de comprendre cette fragilité est de partir de l’expérience commune suivante : lorsque vous prenez de la hauteur rapidement (en avion ou dans un ascenseur), il n'est pas rare que vos oreilles se bouchent. Cela est dû à la diminution de la pression avec l'altitude. De la même façon, lorsque la sève s'élève vers les cimes, sa pression diminue, ce qui peut entraîner un changement de phase*, depuis l'état liquide vers l'état vapeur. En effet, l'eau liquide devient vapeur à 100°C à la pression atmosphérique, mais si cette pression diminue (comme au sommet du Mont Blanc) la température d'ébullition diminue également (elle est de 85°C en haut du Mont Blanc). Si la pression diminue encore, l'eau (et la sève ascendante, qui est essentiellement de l'eau) peut changer de phase à la température ambiante. Ce phénomène d'ébullition à température ambiante est appelé « cavitation ». En cas de sécheresse, il y a plus d'évaporation et moins d'eau disponible dans le sol, la pression de l'eau dans l'arbre diminue et des bulles de cavitation apparaissent. Elles rompent la colonne hydraulique entre les racines et les feuilles et, si elles sont trop nombreuses, l'arbre se dessèche et meurt. Actuellement, plusieurs mécanismes pouvant permettre à l'arbre de supporter ces embolies sont à l'étude, parmi eux la fermeture des pores qui régulent l'évaporation (les stomates) ou le remplissage des conduits embolisés quand la sécheresse est terminée. Physiciens et biologistes travaillent ensemble pour les connaître et savoir comment les arbres régulent leur consommation d'eau.

Bibliography

Références bibliographiques

• P. CRUIZIAT – Comment les plantes utilisent l'eau : mécanismes et régulation, Journée technique SNHF "Mieux arroser", Marseille, 2008.

• R. PRAT – Expérimentation en biologie et physiologie végétales, ch. 5, Quae, 2007.

• W. HOPKINS – Physiologie végétale, ch. 11, de Boeck, 2003.

• P. CRUIZIAT – Comprendre la montée de la sève dans les arbres, de Hales (1727) à Dixon (1914), IRD Éditions, 1990.

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Caption Fig. 1 – a) Sève ascendante et descendante dans un arbre. b) Zoom sur une section de bois. Xylème : sève ascendante ; phloème : sève descendante. c) Zoom sur les conduits de sève ascendante. d) Feuille de chêne. e) Zoom sur une tranche de feuille avec chambre stomatale (zone d'évaporation), stomate (régulation de l'évaporation), arrivée de l'eau (zone bleue) et départ de l'eau (zone rouge). f) Stomates ouvertes et fermées vues de face. Source C. Claret
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/9829/img-1.jpg
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Caption Fig. 2 – a) Ascension capillaire de café dans un sucre. b) Ascension capillaire dans des tubes. c) La conduction de la sève dans l'arbre se fait dans des conduits micrométriques connectés à des pores nanométriques dans les feuilles, où le pompage est causé par évaporation. Source C. Claret
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/9829/img-2.jpg
File image/jpeg, 40k

Author(s)

Physicien, Directeur de recherche au CNRS, Professeur associé à l’École polytechnique, LadHyXPalaiseau, p. 84.
clanet@ladhyx.polytechnique.fr

Physicien, Spécialisé en physiologie végétale, Chercheur Post Doctorant, LIPHY, Grenoble, p. 84.
alexpono@gmail.com

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