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Echanges entre l'eau et les plantes
Afin de comprendre les applications réalisables avec les états artificiels de l'eau, il faut d'abord se pencher plus en détail sur le fonctionnement des plantes...
A) L'absorption de l'eau par les plantes
Les plantes et végétaux, puisent l’eau et les minéraux nécessaires à leur développement dans le sol.
Un hectar de blé peut puiser jusqu’à 1 500 000L d'eau, de la germination à la moisson.
Les racines sont des organes spécialisés dans l’absorption. Elles représentent une surface d’échange pouvant atteindre plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres carrés pour une seul plante.
Cette grande surface est principalement assurée par deux dispositifs remarquables : les poils absorbants et les mycorhizes.
Des filaments mycéliens entourent très souvent les radicelles et forment avec elles des sortes de manchons nommés mycorhizes. C’est le cas de nombreux arbres mais aussi de certaines plantes herbacées telles que les légumineuses.
L'appareil racinaire d'une plantule de radis
(Vue d'ensemble et vue en coupe transversale de la zone pilifère au microscope optique)
Les racines sont des organes précieux pour le développement de la plante.
En effet, elles puisent l'eau et les sels minéraux vitaux pour cette dernière et la fixent dans le sol: on parle de vie fixée de la plante.
On peut définir quatre parties dans une racine, avec de haut en bas successivement :
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la zone subéreuse, la partie la plus âgée de la racine qui porte les racines secondaires ou radicelles ;
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la zone pilifère qui émet les poils absorbants qui, eux, permettent l'absorption de l'eau et des sels minéraux ;
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la zone d'accroissement constituée du méristème et située derrière la coiffe, tout à la pointe de la racine, qui est responsable de la multiplication cellulaire et de l’allongement de celle-ci ;
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la coiffe qui termine et protège la racine et en protège l’extrémité. Elle permet la pénétration dans le sol sans dommage pour les tissus de croissance situés juste en dessous.
Chez de nombreuses plantes terrestres, principalement chez les plantes herbacées, l’entrée des molécules d’eau se fait par des poils très fins: les poils absorbants.
Ceux ci sont localisés dans la zone sub-terminale des jeunes racines appelée zone pilifère. (voir plus haut)
La paroi mince et hydrophile de ces poils permet la circulation de l'eau et des éléments minéraux jusqu'à la membrane et vers les cellules adjacentes. La vacuole occupe presque tout l'espace intracellulaire.
Le nombre de poils absorbants peut être considérable! 14 M pour un plan de blé!!!
Leur présence multiplie plusieurs fois la surface de contact de la plante avec le milieu extérieur. 400 m2 pour un seul plan de blé, soit la surface d’un court de tennis!!!
Observation de poils absorbants au microscope optique
Structure du poil absorbant et des cellules annexes
Observation de poils absorbants au microscope optique
Ces racines, pour pouvoir extraire cette eau du sol, doivent accroître leur taille et s’enfoncer plus profondément dans le sol…
Cette croissance est due principalement à l’élongation des cellules issues du méristème.
Quel est le principe de l'élongation cellulaire?
(lien de l'expérience complète)
Sur des cellules d'oignons rouges placées entre lame et lamelles et étudiées au microscope, on reconnaît des constituants importants : la paroi cellulaire, et une grande vacuole.
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Si l’épiderme est placé dans une solution ionique suffisamment concentrée, les cellules présentent une vacuole petite et très colorée : la cellule est dite plasmolysée.
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Si un lambeau dont les cellules sont plasmolysées est transporté dans de l’eau, le volume de la vacuole augmente à nouveau, (la vacuole remplit la quasi-totalité de la cellule) : la cellule est dite turgescente.
La turgescence est l’état normal d’une cellule vivante.
Pour étudier ce phénomène, on utilise un modèle physique, l’osmose.
L’étude expérimentale s’effectue ici non pas avec des poils absorbants, dont la manipulation est très difficile, mais avec des cellules de pommes de terre, car le mécanisme d’échange d’eau s’effectue avec toutes les cellules de la plante.
- Prenons trois frites découpées dans des pommes de terre, ainsi que 3 solutions de différentes concentrations en saccharose (0, 62.5 et 250g/L)
- Après avoir plongé une frite par solution, et les avoir laissées environ 1h, on les ressort et on observe deux de leurs paramètres, la taille et l'état.
Les frites avaient pour taille de base 7.3 x 1 cm.
Voici leurs caractéristiques après l'expérience :
On observe donc que plus la solution est concentrée en saccharose, plus la frite rétrécit et plus elle devient molle.
On peut donc en déduire qu’il y a eu un échange entre la solution extérieure et le milieu intérieur (des cellules), créant ainsi ces variations, c’est l’exemple type du principe d’osmose :
PRINCIPE DE BASE : Tout système tend à s’homogénéiser
Les particules (molécules et ions) dissoutes tentent de se répartir uniformément dans une solution : c’est la DIFFUSION
En présence d'un obstacle (membrane sélective : membrane semi-peméable) :
Les particules n'arrivent plus à traverser (trop grosses, ions …), de l’eau migre vers le compartiment le plus concentré ; c’est l’OSMOSE.
Le passage d’eau est déterminé par une pression que l’on appelle pression osmotique qui dépend essentiellement de la molarité de la solution , c’est à dire du nombre de moles, ou de molécules d’ions de soluté par litre de solution.
Ainsi pour deux solutions données :
- la solution ayant la molarité la plus élevée est appelée solution hypertonique (solutions 3 et 2 de l'expérience)
- et au contraire, celle ayant la molarité la plus faible est appelée solution hypotonique (solution 1)
- enfin, deux solutions de même molarité sont dites isotoniques.
On observe que :
- Les vacuoles des cellules de la frite 1 occupent toute la cellule.
En effet, le milieu étant moins concentré en eau que la vacuole, l'eau a tendance à entrer dans la cellule. La vacuole gonfle et exerce une pression sur la paroi (pression de turgescence). La cellule est turgescente.
- Les vacuoles des cellules des frites 2 et 3 sont réduites.
En effet, le milieu étant plus concentré que la vacuole, l'eau a tendance à sortir de la cellule. La cellule est plasmolysée.
Si la paroi n'est pas plastique (cellule âgée), l'entrée d'eau s'arrête lorsque la contre pression exercée par la paroi est égale à la pression de turgescence. Si la paroi est plastique, elle se déforme sous l'effet de la pression de turgescence et la cellule grandit. ; ainsi, les vacuoles plus compactes des cellules des frites 2 et 3 sont donc plasmolysées.
Les cellules végétales étant enfermées à l'intérieur d'une paroi rigide, leur croissance en longueur suppose une élongation de cette paroi.
Comment cette élongation est-elle possible?
La paroi des jeunes cellules végétales est essentiellement composée de glucides : la cellulose (C6H10O5)n et l’hémicellulose (polymère de différents sucres).
Ces molécules forment des réseaux de microfibrilles dans la paroi, dont les propriétés s’opposent à l’élongation de la paroi.
Se remplissant d'eau, la vacuole va s'élargir, tirant sur la paroi cellulaire, la forçant à s'allonger.
Lorsque la pression de turgescence devient trop importante, il y a ruptures de liaisons à l’intérieur du réseau moléculaire, maintenant en place les microfibrilles de cellulose, qui est à l’origine de la plasticité pariétale.
La pression de turgescence permet ensuite leur déplacement relatif, et par conséquent l’étirement de la paroi.
La synthèse de nouveaux constituants cellulaires, intégrés progressivement à la paroi allongée et amincie, lui permet de retrouver son épaisseur initiale.
Un cellule végétale peut ainsi continuer à grandir tant que la plasticité de ses parois permet leur étirement.
En fin d’élongation, la paroi devient inextensible. La cellule atteint alors sa taille définitive.
L'osmose est-il le seul phénomène entraînant l'accroissement de la taille?
Parmi toutes les cellules de la plante qui permettront la croissance, on trouve certaines cellules indifférenciées, se développant de façon bien plus importante aux autres: les méristèmes.
Les méristèmes sont structurés en plusieurs couches: les couches extérieures qui constituent l’épiderme ainsi qu’une couche interne, elle-même constituée de plusieurs couches cellulaires.
Il existe 2 grands types de méristèmes: les primaires (apicaux), responsables de l'allongement des organes, et les secondaires (latéraux), non présents chez les plantes herbacées, responsables de la croissance en épaisseur.
La particularité des méristèmes provient du fait que ce sont des cellules indifférenciées.
Une des spécificités des cellules embryonnaires est que leur nombre de divisions cellulaires (mitoses) sur un temps donné, est largement supérieur à celui d’une cellule différenciée.
C’est cette capacité à se diviser continuellement qui leurs permettent d’allonger les organes végétaux.
Il existe 3 types de méristèmes primaires, placés à la base de différents organes:
-dans la tige: Ces méristèmes placés à la base de la tige, sont directement issus de l’embryon, qui ont continué à fonctionner dans la tige.
-dans la racine: Le méristème apical radiculaire
-dans la feuillle: Les connaissances sur les méristèmes foliaires sont moins assurées et plus fragmentaires que pour tige et racine.
Donc les méristèmes, présents à la base de différents organes, permettent en partie leur croissance, contrairement à l'élongation cellulaire, qui force les cellules à s'allonger.
B) L'élongation des racines
Formule topologique du monomère de cellulose
C) Circulation de l'eau dans l'organisme
Eau et minéraux sont donc absorbés dans les racines, permettant aux cellules d’accroître leur taille.
Mais comment ces derniers se déplacent-ils dans la plante?
Une simple expérience permet de déterminer où circule l’eau absorbée, il suffit de la colorer.
On dépose deux branches de céleri dans de l’eau teintée au bleu de méthylène, et après avoir attendu entre 2 et 4 jours, on réalise un coupe transversale de la tige.
On observe au microscope optique que certains amas de cellules visibles sur la coupe, sont de couleur bleue.
On déduit de cette observation que l’eau teintée a transité par ce groupement de cellules.
L'eau transite par un vaisseau de la plante appellé xylème
La solution transportée dans ce vaisseau (eau+ sels minéraux) est appelée la sève brute, transitant des racines aux organes supérieurs de la plante.
Mais d’après les lois de la gravité, comment cette sève peut elle se déplacer verticalement?
Sur les feuilles de la plante, se trouvent de petites ouvertures appellées stomates.
Les stomates sont des orifices, que l’on compte par milliers, qui s’ouvrent sous certaines conditions (lumière et température peu excessive)
Il n'y a que deux différentes cellules qui les composent : les cellules de garde et l'ostiole
Lors de leurs ouvertures, la quantité de vapeur d’eau présente dans les lacunes (espace sous les stomates) est parfois plus importante que celle de l’air.
L’eau, qui se déplace toujours de la solution la plus concentrée vers la moins concentrée (osmose), sort alors des lacunes pour se disperser dans l’air.
Cette transpiration entraîne une diminution de la pression dans les lacunes, celles-ci attirant l’eau du xylème.
Les molécules d’eau qui quittent le xylème tirent sur les molécules suivantes etc… C’est ce qui entraîne la colonne d’eau ascendante dans le xylème.
Cette ascension est soutenue par les propriétés de cohésion de l’eau (liaisons hydrogènes) ainsi que par l’adhérence des molécules d’eau aux parois hydrophiles des cellules du xylème qui permettent de contrer la gravité.
Comment sont alors déplacés les glucides nécessaires au fonctionnement de la plante?
Il existe 2 types de sève, la sève brute, transportée par le xylème, et la sève élaborée, contenant différents glucides comme le saccharose.
Cette dernière est trasnportée dans le sens inverse de la sève brute, par un autre vaisseau de la plante appellé phloème.
La sève élaborée, contenant les éléments essentiels au développement de l'organisme va donc être ainsi apportée aux différents organes végétaux.
Le déplacement d’eau dans la plante s’effectue donc grâce aux vaisseaux de xylème et de phloème.
Ces déplacements sont soutenus par les propriétés physico-chimiques de l'eau.
Coupe transversale d'une tige de céleri observée au microscope optique
Organisation des vaisseaux conducteurs à l'échelle de la plante
