Lesson Explainer: La transpiration végétale Biologie • Second Year of Secondary School

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire le processus de transpiration et l’effet des facteurs limitants sur le taux de transpiration.

L’eau est essentielle à la survie de tous les organismes vivants. Chez les plantes, l'eau et le dioxyde de carbone sont transformés en glucose et en oxygène, grâce au processus de photosynthèse. Le glucose est le carburant que les plantes utilisent pour obtenir l’énergie dont elles ont besoin pour grandir et survivre. L'oxygène est un sous-produit de la photosynthèse, mais il reste très utile aux plantes car il peut être utilisé comme réactif clé, avec le glucose, dans la respiration cellulaire pour libérer de l'énergie dans les cellules de la plante.

Les plantes absorbent l’eau du sol à travers leurs racines et retournent l’eau à l’atmosphère par un processus appelé transpiration, comme le montre la figure 1. La transpiration peut être décrite comme la perte d’eau d’une plante par évaporation à partir des feuilles vers l’atmosphère. L’eau s’évapore par les minuscules pores de l’épiderme des feuilles appelés stomates. Ces pores ont des structures spéciales qui leur permettent d’être ouverts ou fermés, selon certaines conditions.

Examinons de plus près les stomates pour comprendre comment ils contribuent à la transpiration.

Les stomates sont de minuscules pores de l'épiderme des feuilles, qui est la couche de cellules la plus externe. En général, les feuilles ont plus de stomates sur leur surface inférieure que sur leur surface supérieure. Chaque stomate est constitué de deux cellules en forme de haricot, appelées cellules de garde, qui entourent l’ostiole. Ces cellules de garde sont responsables de la régulation de l'ouverture et de la fermeture du stomate. Comme toutes les cellules qui composent les stomates sont des cellules foliaires, elles contiennent des chloroplastes, ce qui leur permet de réaliser la photosynthèse. La photosynthèse fournit à ces cellules des sucres qui peuvent être métabolisés pour fournir de l’énergie à l’ouverture des stomates.

Sur la figure 2 ci-dessous, vous pouvez voir deux stomates. Le stomate de gauche est ouvert et celui de droite est fermé.

Les parois internes des deux cellules de garde sont épaisses et élastiques, tandis que les parois externes sont plus fines. Lorsque l’eau pénètre dans les cellules de garde, la pression à l’intérieur de ces cellules augmente et elles deviennent turgescentes. La pression provoque le renflement des parois des cellules de garde, comme indiqué sur l’image à gauche de la figure 2. Cela crée l’ostiole à travers lequel la vapeur d'eau peut s'évaporer. Lorsque les cellules de garde perdent de l'eau, elles perdent leur turgescence et deviennent flasques, ce qui entraîne la fermeture de l’ostiole, comme le montre l’image à droite de la figure 2.

Outre leur rôle dans la transpiration, les stomates sont également impliqués dans les échanges gazeux entre les plantes et l'atmosphère, permettant la diffusion de gaz comme l'oxygène et le dioxyde de carbone.

Exemple 1: Expliquer comment les feuilles d’une plante perdent de l’eau 

Comment les feuilles d’une plante perdent-elles de l’eau ? 

1. Elle diffuse à partir du mésophylle spongieux.
2. Elle s’évapore à travers la cuticule cireuse.
3. Elle s’évapore des stomates.
4. Elle retourne aux racines par osmose.

Réponse

Les plantes ont besoin d’eau pour plusieurs de leurs processus vitaux. L’eau est absorbée du sol par les racines, transportant des minéraux et des nutriments dissous. À partir des racines, elle monte vers toutes les autres parties de la plante. Lorsque l'eau atteint les feuilles, une partie est utilisée comme réactif pour la photosynthèse, tandis qu'une autre est perdue à la surface des feuilles dans l'atmosphère, sous forme de vapeur d'eau.

Le processus de perte d’eau à partir des surfaces des feuilles par évaporation est appelé transpiration. L’eau s’évapore des minuscules pores de la surface des feuilles appelées stomates.

Les stomates sont de minuscules pores, situés dans l’épiderme des feuilles, qui est la couche la plus externe des cellules. En général, les feuilles ont plus de stomates sur leur surface inférieure que sur leur surface supérieure. Chaque stomate est composé de deux cellules en forme de haricots appelées cellules de garde, qui entourent l’ostiole. Ces cellules de garde sont chargées de réguler l’ouverture et la fermeture du stomate. Les parois internes des deux cellules de garde sont épaisses et élastiques, tandis que les parois externes sont plus minces.

Lorsque l’eau pénètre dans les cellules de garde, la pression à l’intérieur de ces cellules augmente et elles deviennent turgescentes. Les parois externes fines se bombent, entraînant les parois internes plus épaisses vers l'extérieur. Cela crée l’ostiole à travers lequel la vapeur d’eau peut s’évaporer. Lorsque les cellules de garde perdent de l'eau, elles perdent leur turgescence et deviennent flasques, ce qui entraîne la fermeture de l’ostiole.

Par conséquent, les feuilles d’une plante perdent de l’eau par évaporation à partir des stomates.

Maintenant que nous avons compris la structure et la fonction des stomates, nous allons retracer le parcours de l'eau à travers les différentes structures de la plante, des racines aux feuilles, et décrire les processus physiques associés au mouvement de l'eau.

Comme nous le savons, les plantes absorbent l’eau du sol par leurs racines. Les racines possèdent des structures spécialisées appelées cellules de poil racinaire, qui s’étendent dans le sol et maximisent la surface d’absorption de l’eau. Ceci est représenté dans la figure 3.

L’eau est absorbée par les cellules de poil racinaire lors d’un processus appelé osmose. L’osmose est le mouvement des molécules d’eau d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration d’eau, à travers une membrane à perméabilité sélective.

Le sol dans lequel la plante pousse a généralement une concentration en eau plus élevée que celle des poils racinaires. Cela entraîne l’eau à travers les membranes cellulaires des poils racinaires par osmose, comme le montre la figure 3.

La « poussée » osmotique des molécules d’eau du sol vers les racines provoque une pression ascendante appelée pression radiculaire. En raison de cette pression, l’eau absorbée par le sol est poussée vers le haut le long du tissu de xylème de la tige, comme le montre la figure 4. Le xylème est le tissu vasculaire des plantes responsable du transport de l’eau et des minéraux dissous, des racines vers la tige et les feuilles d’une plante.

Exemple 2: Identifier les structures et les processus impliqués dans la transpiration

Le schéma donné montre le processus de transpiration chez une plante.

1. Par quel processus les racines des plantes absorbent-elles l’eau du sol ? 
   1. diffusion
   2. osmose
   3. transport actif
   4. translocation
2. Quel est le terme scientifique donné aux pores de la feuille qui permettent à la vapeur d’eau de sortir de la plante ? 
   1. les cellules de garde
   2. les stomates
   3. les espaces aériens
   4. les cellules palissadiques

Réponse

Partie 1

Les plantes doivent déplacer de l’eau et d’autres substances sur de très longues distances. L’eau absorbée par le sol doit être transportée vers les parties aériennes d’une plante, et le glucose produit dans les feuilles par la photosynthèse doit atteindre toutes les autres parties de la plante.

Un facteur important intervenant dans le transport de substances dans les plantes est le gradient de concentration. Le gradient de concentration est la différence de concentration d’une molécule entre deux zones. Les molécules peuvent se déplacer d'une zone à forte concentration vers une zone à faible concentration, dans le sens de leur gradient de concentration, sans avoir besoin d'énergie. En revanche, le mouvement d’une molécule d’une zone de faible concentration vers une zone de forte concentration, contre le gradient de concentration, nécessite de l’énergie.

L’osmose est un type de transport qui repose uniquement sur le gradient de concentration. L’osmose est le mouvement de molécules d’eau d’une zone de concentration élevée vers une zone de concentration plus faible, à travers une membrane à perméabilité sélective. Chez les plantes, l’eau est absorbée par osmose du sol vers les racines à l’aide des poils racinaires.

Par conséquent, les racines absorbent l’eau du sol par osmose.

Partie 2

Le processus de perte d'eau à la surface des feuilles par évaporation est appelé transpiration. L’eau s’évapore des minuscules pores de la surface des feuilles appelés stomates.

Les stomates sont de minuscules pores, situés dans l’épiderme des feuilles, qui est la couche la plus externe des cellules. Chaque stomate est composé de deux cellules en forme de haricots appelées cellules de garde, qui entourent l’ostiole. Ces cellules de garde sont chargées de réguler l’ouverture et la fermeture du stomate. Les parois internes des deux cellules de garde sont épaisses et élastiques, tandis que les parois externes sont plus minces.

Lorsque l’eau pénètre dans les cellules de garde, la pression à l’intérieur de ces cellules augmente et elles deviennent turgescentes. Les parois extérieures fines se bombent, entraînant les parois intérieures plus épaisses vers l'extérieur. Cela crée l’ostiole à travers lequel la vapeur d’eau peut s’évaporer. Lorsque les cellules de garde perdent de l'eau, elles perdent leur turgescence et deviennent flasques, ce qui entraîne la fermeture de l’ostiole.

Par conséquent, le terme scientifique donné aux pores de la feuille qui permettent à la vapeur d’eau de diffuser à partir de la plante est stomates.

L’eau doit être transportée vers le haut, contre l’attraction gravitationnelle, des racines aux parties aériennes de la plante, qui sont la tige et les feuilles. Chez certaines plantes, cette distance peut être très grande. Les séquoias, par exemple, peuvent atteindre une hauteur de 115 mètres ! La force de la pression radiculaire pour pousser la colonne d’eau dans les vaisseaux du xylème, cependant, ne peut pas dépasser environ un mètre de hauteur.

La transpiration, l’évaporation de l’eau des stomates des feuilles, fournit la majorité de la force nécessaire aux plantes pour le transport de l’eau. Alors que la pression des racines « pousse » l’eau à travers les tissus du xylème, la transpiration exerce une « aspiration » ascendante sur la colonne d’eau qui se déplace vers le haut depuis les racines. C’est ce qu’on appelle l’aspiration foliaire.

Comme nous le savons, la transpiration a lieu dans de minuscules pores de l’épiderme des feuilles appelées stomates. L’eau s’évapore dans les cellules foliaires et forme de la vapeur d’eau. L’air dans l’atmosphère autour de la plante a une plus faible concentration de molécules de vapeur d’eau que dans l’espace à l’intérieur de l’ostiole. Les molécules de vapeur d’eau se déplacent donc des stomates vers l’atmosphère. Comme la vapeur d’eau est un gaz, elle se déplace par diffusion plutôt que par osmose. Vous pouvez voir ce processus se produire dans la figure 5 ci-dessous.

Cette diffusion crée une « aspiration », amenant plus de molécules d’eau du xylème de la tige vers le xylème des feuilles, afin de remplacer celles qui s’évaporent. Une forte force ascendante est donc appliquée à la colonne d’eau transportée dans le xylème. Grâce à cette force, les plantes peuvent faire monter l’eau depuis les racines vers les différentes parties de la plante, transportant les minéraux dissous du sol. Ceci est représenté sur la figure 6. L’aspiration foliaire peut créer une force capable de transporter la colonne d'eau d’un xylème faisant plus de 130 mètres de haut ! 

La transpiration est également impliquée dans plusieurs autres processus de la plante. En fournissant la force qui entraîne les molécules d'eau jusqu’aux feuilles, la transpiration est le processus qui fournit aux feuilles l'eau dont elles ont besoin pour la photosynthèse. Par ailleurs, la transpiration joue un rôle important dans la régulation de la température d’une plante. L’évaporation des molécules d’eau à partir de la surface des feuilles produit un effet de refroidissement, qui sert à maintenir une température optimale pour la croissance et la survie de la plante. C’est ce qu’on appelle le refroidissement par évaporation.

La transpiration chez les humains fournit un bon parallèle à la transpiration chez les plantes, en partie en raison de ce processus de refroidissement par évaporation. Les deux processus impliquent la perte d'eau d'un organisme par des pores spécifiques à la surface du corps, provoquant un effet de refroidissement qui aide à maintenir la température interne. Il existe cependant des différences distinctes entre les deux processus. Par exemple, alors que les pores de la sueur sont situés sur tout le corps humain et que ce processus peut se produire le jour et la nuit, les stomates se trouvent principalement sur les feuilles et la perte d’eau se produit principalement en journée. De plus, l’eau de la sueur humaine est excrétée de la peau sous forme liquide, tandis que la transpiration des plantes provoque la perte d’eau sous forme de gaz, la vapeur d’eau.

Le taux de transpiration chez les plantes est affecté par quatre facteurs limitants principaux : l’intensité de la lumière, la température, l’humidité et la vitesse du vent.

Comme nous l’avons appris, la transpiration dépend de l’ouverture et de la fermeture des stomates. Pendant la journée, lorsque l’intensité lumineuse est élevée, les cellules végétales effectuent la photosynthèse, en convertissant le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. Les stomates s’ouvrent donc pour permettre la diffusion du dioxyde de carbone de l’atmosphère vers les feuilles. En même temps, comme les stomates sont ouverts la transpiration a lieu, ce qui aide également à répartir plus de molécules d’eau du xylème vers les autres cellules foliaires pour la photosynthèse. Par conséquent, lorsque l’intensité de la lumière augmente, le taux de transpiration augmente.

Nous savons que la transpiration est la perte d’eau des plantes par évaporation, qui est la conversion de l’eau en vapeur d’eau. L’évaporation augmente avec des températures plus élevées, car les molécules de vapeur d’eau diffusent plus rapidement des stomates dans l’atmosphère. Par conséquent, le taux de transpiration augmente également lorsque la température est élevée.

Si les plantes sont exposées à des températures élevées, elles peuvent perdre une quantité excessive d’eau par la transpiration. La perte d'énormes quantités d'eau dans l'atmosphère endommagerait la plante, car elle n'aurait pas assez d'eau pour survivre et se développer. Pour éviter cela, les stomates à la surface des feuilles se ferment lorsque la température augmente. Les plantes peuvent aussi se flétrir pour conserver l’eau, car le flétrissement affaisse les feuilles et réduit la surface disponible pour la transpiration. Les plantes poussant dans des climats chauds, comme les cactus, peuvent présenter certaines adaptations pour conserver l'eau ; par exemple, leurs feuilles peuvent se réduire à des épines, avec une cuticule épaisse et cireuse. Ces adaptations, résumées dans la figure 7 ci-dessous, évitent une transpiration excessive de la plante.

Nous avons appris que l’eau s’évapore des surfaces des feuilles lorsque la concentration d’eau dans l’atmosphère environnante est inférieure à celle des feuilles. Dans des conditions de forte humidité, quand il y a une forte concentration de vapeur d’eau dans l’atmosphère, le taux de transpiration donc diminue. En effet, le gradient de concentration entre la feuille et l’atmosphère diminue.

Pour bien comprendre ce concept, regardons la figure 8.

Le côté gauche représente de l’air très humide, contenant un grand nombre de molécules d'eau gazeuse (vapeur d'eau). Puisque les feuilles effectuent constamment la photosynthèse et la respiration, elles ont toujours un grand nombre de molécules d'eau. Dans ce cas, il n'y a donc pas une très grande différence entre la concentration de molécules d'eau dans l'air ambiant et dans la feuille. Par conséquent, le taux de transpiration sera faible.

Dans le schéma de droite représentant une faible humidité, cependant, il y a moins de molécules d'eau gazeuse dans l'air ambiant. Le gradient de concentration entre la feuille et l’air est plus élevé car l’air ambiant contient moins de molécules d’eau que la feuille. Dans ce cas, le taux de transpiration sera plus élevé.

Exemple 4: L’effet de l’humidité sur le taux de transpiration

Le schéma montre une feuille avec une humidité élevée et une humidité faible.

1. Complétez la phrase par « forte » ou « faible » : S’il y a beaucoup de vapeur d’eau dans l’air, on dit qu’il a une humidité.
   1. forte
   2. faible
2. Complétez l’affirmation avec « plus grande » ou « plus petite » : La différence de concentration sera s’il y a beaucoup de vapeur d’eau dans les stomates et pas beaucoup dans l’air environnant.
   1. plus grande
   2. plus petite
3. Complétez la phrase suivante : les feuilles dans les zones de humidité ont un gradient de concentration plus marqué, de sorte que l’eau diffuse hors de la feuille .
   1. faible, plus vite
   2. forte, plus vite
   3. forte, plus lentement
   4. faible, plus lentement

Réponse

Partie 1

L’air de l’atmosphère contient de la vapeur d’eau. L’humidité est définie comme la concentration de vapeur d’eau dans l’air. On dit que l'air contenant beaucoup de vapeur d'eau a un taux d'humidité élevé, tandis que l'air contenant moins de vapeur d'eau a un taux d'humidité faible.

Par conséquent, s’il y a beaucoup de vapeur d’eau dans l’air, on dit que le taux d’humidité est élevé.

Partie 2

Chez les plantes, l’eau est absorbée du sol par les racines, et transporte des minéraux et des nutriments dissous. Depuis les racines, elle monte vers toutes les autres parties de la plante. Le processus de perte d'eau à la surface des feuilles par évaporation est appelé transpiration. L’eau s’évapore des minuscules pores, situés à la surface des feuilles appelés stomates.

Il faut qu’il y ait une différence de concentration pour permettre la diffusion de la vapeur d’eau dans l’atmosphère à partir des stomates. La vapeur d’eau peut diffuser lorsque la différence de concentration est élevée, c’est à dire lorsqu’il y a beaucoup de vapeur d’eau dans les stomates et peu dans l’air ambiant.

Par conséquent, la différence de concentration sera plus grande s’il y a beaucoup de vapeur d’eau dans les stomates et pas beaucoup dans l’air ambiant.

Partie 3

Chez les plantes, l’eau est absorbée du sol par les racines, transportant des minéraux et des nutriments dissous. Depuis les racines, elle est transportée en haut vers toutes les autres parties de la plante. Lorsque l’eau atteint les feuilles, une partie est utilisée comme réactif pour la photosynthèse, tandis que l’autre partie est perdue de la surface des feuilles vers l’atmosphère sous forme de vapeur d’eau.

Le processus de perte d’eau à partir des surfaces des feuilles par évaporation est appelé transpiration. La vapeur d’eau s’évapore des minuscules pores de la surface des feuilles appelés stomates.

Le taux de transpiration chez les plantes est affecté par quatre facteurs limitants principaux : l’intensité de la lumière, la température, l’humidité et la vitesse du vent. Un facteur limitant est un facteur environnemental dont l’augmentation ou la diminution affecte la vitesse d’un processus.

Le gradient de concentration est la force motrice de la transpiration : l’eau s’évapore de la surface des feuilles lorsque la concentration de vapeur d’eau dans l’atmosphère ambiante est inférieure à celle des feuilles. Dans des conditions de forte humidité, quand il y a un niveau élevé de vapeur d’eau dans l’atmosphère environnante, le taux de transpiration diminue. En effet, le gradient de concentration entre la feuille et l’atmosphère environnante diminue. En revanche, lorsque le taux d’humidité est bas, le gradient de concentration est plus marqué, ce qui signifie que l’eau diffuse plus rapidement hors de la feuille et que le taux de transpiration augmente.

Par conséquent, les feuilles situées dans des zones de faible humidité ont un gradient de concentration plus marqué, de sorte que l’eau diffuse hors de la feuille plus vite.

Une augmentation de la vitesse du vent augmente le taux de transpiration. Ceci est également lié au concept du gradient de concentration de la vapeur d’eau. Des vitesses de vent plus élevées signifie que la vapeur d'eau à proximité immédiate de la plante est emportée par le vent à un taux plus élevé. Cela augmente le gradient de concentration de vapeur d’eau entre les feuilles et l’atmosphère environnante.

Le potomètre est un instrument qui sert à détecter la transpiration et l’effet de différents facteurs environnementaux sur le taux de transpiration. Examinons la configuration de cet instrument et la manière dont il peut être utilisé.

Un potomètre est constitué d’un tube capillaire avec une échelle de mesure, d’un réservoir et d’un tube dans lequel on peut maintenir la pousse d'une plante. C’est ce que montre la figure 9.

Le mode d’emploi d’un potomètre est décrit ci-dessous.

Le potomètre fonctionne selon le principe du mouvement ascendant de l’eau dû à l’aspiration foliaire de la plante. La bulle d'air introduite dans le tube capillaire devrait se déplacer progressivement vers la plante, mettant en évidence ainsi la transpiration. La distance parcourue par la bulle d’air pendant un certain laps de temps peut être mesurée en utilisant l’échelle de la règle adjacente au tube capillaire, ce qui permet de calculer la vitesse de la bulle d'air. Ceci peut être utilisé comme mesure du taux de transpiration. Plus le taux de transpiration est élevé, plus la distance parcourue par la bulle d'air vers la plante pendant une certaine durée est grande.

Comme nous l'avons vu, il existe plusieurs facteurs environnementaux qui affectent le taux de transpiration. A l'aide d'un potomètre, ces effets peuvent être démontrés en utilisant la même procédure que celle décrite ci-dessus, mais avec quelques différences spécifiques que nous allons maintenant examiner.

Un ventilateur peut être placé à côté des feuilles de la pousse de la plante dans l’appareil. La vitesse à laquelle la bulle d’air se déplace à travers le tube capillaire représentera le taux de transpiration à des vitesses de vent plus élevées.

Un radiateur peut être placé à côté de l’appareil, pour mesurer le taux de transpiration à des températures plus élevées.

La position initiale de la bulle d’air peut être notée, et l’appareil peut ensuite être placé dans l’obscurité pendant un certain laps de temps. La distance parcourue par la bulle d’air pendant ce temps sera une mesure du taux de transpiration à une faible intensité lumineuse.

Si l'on pulvérise de l'eau sur la plante et qu’on la recouvre d’un sac en plastique, on peut mesurer le taux de transpiration à une humidité plus élevée.

Notez que lorsque l'un de ces facteurs est étudié à l'aide d'un potomètre, les autres facteurs doivent tous être constants afin de ne mesurer que l’effet de ce facteur sur le taux de transpiration.

Il est également important de noter que la valeur approximative du taux de transpiration fournie par le potomètre n'est pas tout à fait exacte. En effet, l’eau absorbée par la pousse ne sera pas totalement transpirée, car une partie de l’eau peut être utilisée pour la photosynthèse ou pour le maintien de la turgescence cellulaire dans la plante.

Résumons tout ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.