Fiche explicative de la leçon: Circulation dans le xylème Biologie • Deuxième année secondaire

Exemple 1: Décrire les vaisseaux de transport de l’eau chez la plante

La figure ci-dessous est un schéma simplifié du mouvement de l’eau à travers une plante. Par quel vaisseau de transport la majorité de l’eau passe-t-elle ? 

1. le xylème
2. le phloème
3. la veine
4. les parois cellulaires

Réponse

L’eau est essentielle pour qu’une plante puisse prospérer et grandir. C’est le réactif essentiel de la photosynthèse, qui permet aux plantes de fabriquer leur propre nourriture. Pourtant, bien que ce soit les racines que nous arrosons, elles ne sont pas le site le plus important pour l’eau. Les plantes ont besoin de beaucoup d’eau car au fur et à mesure de la photosynthèse, une grande quantité d’eau est perdue dans l’atmosphère au cours d’un processus appelé transpiration. Ainsi, l’eau est plus utile lorsqu’elle peut se déplacer des racines vers les feuilles, qui sont le siège de la photosynthèse.

Dans la photosynthèse, les plantes produisent leur propre nourriture grâce à la lumière du soleil et à l’eau. Elles ont besoin d’absorber le dioxyde de carbone de l’atmosphère à travers de petits pores situés dans leurs feuilles, appelés stomates. Ainsi, lorsque les plantes réalisent la photosynthèse pour se nourrir, elles perdent également une quantité importante d’eau à cause de la transpiration. La transpiration est l’évaporation de l’eau des feuilles sous forme de vapeur d’eau.

Lorsque l’eau s’évapore au niveau des feuilles, davantage d’eau est aspirée dans les feuilles par les vaisseaux du xylème, qui relient directement l’eau du sol à l’eau des feuilles. Les vaisseaux du xylème sont de très longues structures tubulaires constituées de cellules empilées bout à bout. Les cellules du xylème n’ont pas de parois terminales, les vaisseaux forment donc des tubes ouverts continus dans lesquels l’eau peut circuler facilement et sans force. Les tissus du xylème sont au départ des cellules vivantes, mais au fur de leur maturation elle subissent une mort programmée afin de contribuer à la formation de tubes creux : les vaisseaux du xylème. La fonction principale des vaisseaux du xylème est de transporter l’eau dans une direction ascendante à partir des racines, en passant par la tige, et jusqu’aux feuilles.

Par conséquent, sur la figure, la majorité de l’eau se déplace à travers la plante en utilisant le xylème comme vaisseau de transport.

Exemple 2: Décrire les vaisseaux de transport de l’eau de la plante

Lequel des énoncés suivants explique le mieux la théorie du mouvement de l’eau par poussée racinaire ? 

1. La poussée racinaire est la force qui pousse l’eau des racines verticalement vers le haut du xylème.
2. La poussée racinaire est la force qui tire l’eau dans le xylème depuis les racines.
3. La poussée racinaire force l’eau à pénétrer dans les parois cellulaires du phloème pour être transportée à travers la plante.
4. La poussée racinaire est la liaison des molécules d’eau aux parois des poils racinaires.

Réponse

Même après que les scientifiques aient découvert que ce sont les vaisseaux de xylème qui transportent l’eau à travers la plante, les mécanismes de ce transport restaient à déterminer. Une théorie sur ce transport visait à déterminer si c’était les forces physiques à l’œuvre dans les vaisseaux du xylème qui permettaient de faire monter l’eau contre la gravité. La force physique qui a été considérée était la poussée racinaire.

Lorsque vous coupez la tige d’une plante à la base, vous pouvez voir la sève couler vers le haut depuis les racines. À partir de cette observation, un biologiste des plantes, le Dr Priestley, a suggéré que la poussée racinaire pourrait être la force physique derrière le transport de l’eau dans les plantes. Rappelez-vous qu’en raison des gradients de pression, les liquides s’écoulent des zones de haute pression vers les zones de basse pression. C’est cette pression élevée dans les racines qui provoque l’écoulement de l’eau vers le haut de la tige, et c’est le phénomène que le Dr Priestley a utilisé comme base de sa théorie. La poussée racinaire est une pression positive qui se développe dans les vaisseaux du xylème dans la racine pendant l’absorption d’eau active de certaines plantes.

Cependant, en conditions normales, la poussée racinaire est généralement faible et est incapable de faire monter l’eau au sommet de très grands arbres. En outre, le transport de l’eau ne nécessite pas toujours de racines. C’est observable par exemple avec des fleurs fraîchement coupées et du colorant alimentaire. Lorsque les fleurs coupées sont placées dans un bécher d’eau colorée, en raison du transport de l’eau vers le haut dans le xylème, la couleur de l’eau va commencer à apparaître dans les pétales au bout de jours. Nous pouvons en déduire que le transport de l’eau a eu lieu dans ces fleurs coupées, même en l’absence de racines ! Ce transport de l’eau vers le haut de la tige, sans racines, ne peut pas être expliqué par la théorie de la poussée racinaire.

Par conséquent, la meilleure explication de la théorie du mouvement de l’eau par la poussée racinaire est que la poussée racinaire est la force qui pousse l’eau des racines verticalement vers le haut du xylème.

Exemple 3: Définir les forces d’attraction entre les molécules d’eau

La théorie de la cohésion-tension du mouvement de l’eau vise à expliquer comment l’eau est transportée à travers le xylème. Laquelle des affirmations suivantes explique le mieux ce que l’on entend par cohésion dans le mouvement de l’eau ? 

1. La cohésion correspond aux forces d’attraction entre les molécules d’eau dans le xylème.
2. La cohésion correspond aux forces d’attraction entre les molécules d’eau et les parois du xylème.
3. La cohésion correspond à la traction de l’eau à travers le xylème, alors que la vapeur d’eau diffuse à partir des stomates.
4. La cohésion correspond au mouvement de l’eau du sol vers la racine, d’une zone de faible concentration de soluté à une zone de forte concentration de soluté.

Réponse

Lorsque l’eau s’évapore au niveau des feuilles, davantage d’eau est aspirée dans les feuilles par les vaisseaux du xylème, qui relient l’eau du sol à l’eau des feuilles. Les vaisseaux du xylème sont de très longues structures tubulaires constituées de cellules empilées bout à bout. Les cellules du xylème n’ont pas de parois terminales, les vaisseaux forment donc des tubes ouverts continus dans lesquels l’eau peut circuler facilement et sans force. Les tissus du xylème sont au départ des cellules vivantes, mais au fur de leur maturation elle subissent une mort programmée afin de contribuer à la formation de tubes creux : les vaisseaux du xylème. La fonction principale du xylème est de transporter l’eau dans une direction ascendante depuis les racines jusqu’aux feuilles, en passant par la tige.

Les molécules d’eau dans les vaisseaux du xylème sont fortement attirées les unes par les autres, ce qui les rend « collées ensemble ». Cette « adhérence » entre les molécules d’eau est appelée cohésion et est due à la formation de fortes liaisons hydrogène entre les différentes molécules d’eau. La propriété de cohésion entre les molécules d’eau fait que l’eau forme une colonne, une molécule après l’autre, dans le vaisseau du xylème. La cohésion a lieu entre deux molécules d’eau, tandis que l’adhérence est l’attraction entre une molécule d’eau et les parois des vaisseaux du xylème.

Par conséquent, la meilleure explication de ce que l’on entend par cohésion pour le mouvement de l’eau est l’option A : la cohésion correspond aux forces d’attraction entre les molécules d’eau dans le xylème.

Exemple 4: Décrire le taux de transpiration des plantes

Le graphique ci-dessous montre la relation entre l’heure de la journée et le débit d’eau traversant une plante. Entre quelles heures le taux de transpiration est-il le plus élevé ? 

1. 12 h et 18 h
2. 2 h et 8 h
3. 10 h et 14 h
4. 2 h et 18 h
5. 20 h et 22 h

Réponse

Les quatre principaux facteurs environnementaux pouvant influer sur le taux de transpiration sont : la lumière, la température, l’humidité et l’air. Le jour, ces facteurs environnementaux aident la plante à transpirer très rapidement, augmentant la quantité d’eau utilisée par la plante. Et le taux de transpiration est lié au débit d’eau dans la plante.

Ces facteurs peuvent avoir un impact significatif sur le taux de transpiration. Plus il y a d’eau transpirée, plus la traction de transpiration au sommet du xylème est grande. Ainsi, le jour, la lumière du soleil stimule l’ouverture des stomates de la feuille, accélérant ainsi la transpiration. Une augmentation de température augmente l’énergie cinétique des molécules d’eau, ce qui signifie qu’elles s’évaporent plus rapidement, augmentant le taux de transpiration. En outre, une faible humidité et une vitesse élevée du vent peuvent également augmenter le taux de transpiration des feuilles, en augmentant le gradient de concentration entre l’intérieur de la feuille et son environnement.

Par exemple, la lumière stimule l’ouverture des stomates et augmente la température de la feuille, ce qui accélère la transpiration. En effet, l’eau s’évapore plus rapidement lorsque la température augmente. Comme plus d’eau est transpirée rapidement, la plante a besoin de davantage d’eau pour se refroidir et pour la photosynthèse. De même, le jour, l’humidité est plus faible et la vitesse du vent est plus élevée. Cela signifie que l’air ambiant est plus sec et qu’il y a plus de mouvement d’air autour des stomates, ce qui aide l’eau à transpirer plus rapidement, encore une fois, augmentant la quantité d’eau qui circule dans la plante. Cependant, la nuit, il y a moins de lumière, une température plus basse, une humidité élevée et peu de vent. En réponse au changement de ces facteurs environnementaux, les stomates se ferment et la transpiration s’arrête.

Sur le graphique, nous voyons le débit d’eau en fonction de l’heure de la journée.

En partant du premier point à gauche, à minuit, on constate que le débit d’eau est très faible. Ce faible débit d’eau continue jusqu’à 10 h environ. À partir de 10 h, nous pouvons observer une augmentation du débit d’eau dans la plante jusqu’à environ midi, ce qui correspond à la pente ascendante de la courbe. Cela indique que le débit d’eau augmente entre 10 h et midi.

Le débit d’eau reste stable de midi à 18 h environ. Cela signifie que le débit d’eau est constant et élevé pendant cette période. À 18 h, la courbe commence à tomber jusqu’à 22 h.

Étudions les choix proposés pour identifier la période où le débit d’eau est élevé. Le premier choix est de midi et 18 h. D’après le graphique, le débit d’eau est très élevé.

Par conséquent, d’après ce graphique de la relation entre l’heure de la journée et le débit d’eau dans la plante, le taux de transpiration est le plus élevé entre 12 h et 18 h.

Exemple 5: Comprendre la variation de tension en fonction du taux de transpiration des plantes

Le graphique ci-dessous montre la relation entre l’heure de la journée et le débit d’eau traversant une plante. Entre quelles heures la tension dans le xylème sera-t-elle la plus élevée ? 

1. 12 h et 18 h
2. 2 h et 8 h
3. 6 h et 12 h
4. 18 h et 22 h
5. 4 h et 10 h

Réponse

Les facteurs environnementaux qui augmentent la transpiration peuvent avoir un impact significatif sur la pression négative, ou tension, sur l’eau dans la feuille. Les quatre principaux facteurs environnementaux pouvant influer sur le taux de transpiration sont la lumière, la température, l’humidité et l’air. Avec l’augmentation de la quantité d’eau transpirée, plus d’eau s’écoulera à travers la plante.

Ainsi, le jour, ces facteurs environnementaux aident la plante à transpirer très rapidement, augmentant la quantité d’eau utilisée par la plante. Plus une plante transpire, plus il y a de tension à la surface de la feuille. L’augmentation de la tension dans le xylème est si forte qu’elle peut diminuer le diamètre du tronc ! 

La nuit, il y a moins de lumière, une température plus basse, une humidité élevée et peu de vent. En réponse au changement de ces facteurs environnementaux, les stomates se ferment et la transpiration s’arrête. Chez les plantes, la nuit, l’eau est retenue dans la tige et dans les feuilles par l’adhérence de l’eau aux parois cellulaires des vaisseaux du xylème et par la cohésion des molécules d’eau les unes aux autres. Quand il y a moins de tension dans le xylème, le diamètre du tronc augmente ! 

Cette relation peut être résumée comme suit : lorsque le taux de transpiration est élevé, la tension est élevée et le diamètre du tronc diminue. Lorsque le taux de transpiration est faible, la tension est faible et le tronc se dilate.

Sur le graphique, nous voyons le débit d’eau selon l’heure de la journée. En partant du premier point à gauche, à minuit, nous pouvons constater que le débit d’eau est très faible, ce qui continue jusqu’à environ 10 h. Avec un débit d’eau faible, le taux de transpiration est faible, la tension est donc également faible.

À 10 h, le débit d’eau augmente jusqu’à environ midi, ce qui est indiqué par la pente ascendante de la courbe. Lorsque la vitesse de transpiration augmente, la tension augmente. Ensuite, le débit d’eau reste constamment élevé de midi à 18 h environ. Cela signifie que le débit d’eau est constant et élevé pendant cette période, de sorte que la tension est constante. À 18 h, la courbe commence à chuter jusqu’à 22 h, à mesure que le débit d’eau et la tension diminuent.

La question nous demande d’identifier la période de temps où la tension dans le xylème est la plus élevée. Une tension élevée est causée par un taux élevé de transpiration. Lorsque la transpiration est élevée, il y a un grand débit d’eau pour remplacer rapidement l’eau perdue lors de la transpiration. Ainsi, la réponse correcte parmi les choix proposés est la période de temps où le débit d’eau est le plus élevé. Par lecture graphique, le débit d’eau élevé se situe entre 12 h et 18 h.

Par conséquent, d’après le graphique de la relation entre l’heure de la journée et le débit d’eau traversant une plante, la tension est la plus élevée dans le xylème entre 12 h et 18 h.