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Dans cette vidéo, nous allons tout savoir sur le processus végétal connu sous le nom de transpiration. Nous explorerons comment elle fonctionne, les structures végétales impliquées et la façon dont différentes conditions environnementales influent sur la rapidité avec laquelle elle se produit. Nous verrons également comment utiliser un équipement appelé potomètre dans un laboratoire pour étudier le taux de transpiration. C’est parti!
Vous vous souvenez peut-être que les plantes effectuent la photosynthèse. Cette réaction chimique, qui se produit principalement dans les feuilles, utilise l’énergie lumineuse pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. La plante utilise ensuite le glucose pour tous ses besoins énergétiques. Mais d’où les plantes obtiennent-elles le dioxyde de carbone et l’eau dont elles ont besoin pour la photosynthèse? L’eau vient du sol et est absorbée par la plante à travers ses racines. Le dioxyde de carbone diffuse dans la plante à travers de minuscules pores situés sur les feuilles appelés stomates. Mais lorsque ces pores sont ouverts, il se produit un effet secondaire caractérisé par de l’eau qui peut s’évaporer puis diffuser hors de la plante sous forme de vapeur d’eau. Cette perte d’eau d’une plante est appelée la transpiration, ce dont nous allons parler dans cette vidéo.
Examinons de plus près les stomates pour bien comprendre leur rôle dans la transpiration. Comme nous l’avons déjà dit, les stomates sont de minuscules pores qui se trouvent dans l’épiderme, la couche cellulaire la plus externe des feuilles. Chaque pore désigne une stomie, et ensemble ils sont appelés stomates. Généralement, les feuilles ont plus de stomates sur leur surface inférieure que sur leur surface supérieure. Chaque stomie est composée de deux cellules en forme de haricot appelées cellules de garde, qui entourent le pore stomatique, ou ostiole. Les parois internes des cellules de garde sont épaisses et élastiques, tandis que les parois externes sont beaucoup plus minces. Les cellules de garde sont responsables de la régulation de l’ouverture et de la fermeture des stomates.
Nous pouvons voir que le stomate dans cette figure est actuellement fermé. Lorsque les stomates doivent s’ouvrir pour commencer la photosynthèse, par exemple au lever du soleil, des solutés tels que des ions potassium et chlorure sont pompés dans les cellules de garde par transport actif. Cela réduit le potentiel hydrique à l’intérieur des cellules de garde, ce qui entraîne l’eau à pénétrer par osmose. Lorsque l’eau pénètre dans les cellules de garde, la pression dans ces cellules augmente et elles deviennent gonflées ou turgescentes. Cette pression amène les parois internes des cellules de garde à s’éloigner les unes des autres, ouvrant l’ostiole à travers lequel les gaz et la vapeur d’eau peuvent diffuser. Il se produit l’inverse de ce processus lorsque les stomates doivent se fermer. Les cellules de garde perdent de l’eau et perdent donc leur turgescence.
Maintenant que nous avons examiné la structure et la fonction des stomates, nous allons retracer le parcours de l'eau à travers les différentes structures de la plante lors de la transpiration. Comme nous le savons, les plantes absorbent l’eau du sol par le biais de leurs racines. Les racines ont des cellules spécialisées appelées des poils racinaires, qui s’étendent dans le sol et maximisent la surface disponible pour l’absorption de l’eau. Comme représenté dans cette figure, le sol dans lequel la plante pousse a généralement une concentration en eau plus élevée que les cellules de poil racinaire. L’eau est alors incitée à traverser la membrane cellulaire des poils racinaires par osmose.
La pression osmotique des molécules d’eau du sol vers les racines provoque une pression ascendante, appelée poussée radiculaire. Grâce à cette pression, l’eau absorbée du sol est poussée vers le haut à travers le tissu de xylème de la tige. Le xylème est le tissu vasculaire responsable du transport de l’eau et des minéraux dissous des racines jusqu’à la tige et les feuilles de la plante. Chez certaines plantes, cette distance peut être très longue. Par exemple, les séquoias peuvent atteindre une hauteur de 115 mètres. Cependant, la force de la pression radiculaire ne peut pousser la colonne d’eau que jusqu’à une hauteur d’un mètre environ. Alors, comment l’eau arrive-t-elle jusqu’en haut? La réponse est, évidemment, par la transpiration, qui fournit la majeure partie de la force nécessaire au transport de l’eau dans les plantes.
Ici, nous pouvons voir une coupe transversale à travers une feuille, montrant certaines des principales cellules dont elle est composée. Lorsque l’eau atteint la feuille et sort du vaisseau du xylème, elle s’évapore par transpiration dans la couche spongieuse du mésophylle des cellules de la feuille. En d’autres termes, elle change d’état et passe de l’eau, qui est un liquide, à la vapeur d’eau, qui est un gaz. Comme l'air de l'atmosphère entourant la plante a une concentration de molécules de vapeur d'eau inférieure à celle à l'intérieur du pore stomatique, les molécules de vapeur d'eau diffusent hors de la feuille et dans l'atmosphère le long de leur gradient de concentration à travers le pore stomatique.
Vous vous demandez peut-être pourquoi la vapeur d’eau sort de la feuille par diffusion alors que nous nous attendons normalement à ce que l’eau se déplace par osmose. L’osmose ne se produit que lorsque l’eau est à l’état liquide. Mais puisqu’elle s’évapore sous forme de vapeur d’eau ici, qui est un gaz, elle sort du stomate par diffusion. Alors que la pression radiculaire pousse les molécules d’eau jusqu’à une certaine hauteur à travers les tissus du xylème, la transpiration exerce une attraction ascendante sur les molécules d’eau en les amenant à monter dans les feuilles pour remplacer les molécules perdues. Ceci s’appelle l’aspiration foliaire. Cette force permet aux plantes de transporter l’eau contenant des minéraux dissous vers tous les endroits qui en ont besoin. La transpiration agit également comme un mécanisme de refroidissement des feuilles dans des conditions chaudes.
La transpiration ne se produit pas toujours au même rythme. Elle est influencée par les changements de l’environnement dans lequel la plante pousse. Quatre facteurs principaux affectent le taux de transpiration. Le premier est l’intensité lumineuse. À mesure que l’intensité lumineuse augmente, le taux de transpiration augmente également. En effet, lorsque l’intensité lumineuse est élevée, les plantes peuvent réaliser beaucoup de photosynthèse, convertissant ainsi 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. Puisque les stomates sont ouverts, la transpiration a également lieu puisque la vapeur d’eau se diffuse des feuilles. Cela entraîne à son tour davantage de molécules d’eau dans la feuille à partir des racines pour remplacer celles qui ont été perdues.
La photosynthèse ne peut pas se produire dans l’obscurité. Ainsi, lorsque l’intensité lumineuse est faible, les stomates se ferment. Cela empêche non seulement le dioxyde de carbone de pénétrer dans les feuilles, mais signifie également que la quantité de vapeur d’eau qui sort par transpiration est limitée. C’est la même tendance avec la température. À mesure que la température augmente, le taux de transpiration augmente également. En effet, lorsque les conditions deviennent plus chaudes, les molécules d'eau à l'intérieur de la feuille acquièrent plus d'énergie, ce qui signifie qu'elles se déplacent davantage et se répandent davantage, car les faibles forces intermoléculaires entre elles se rompent. Il s’agit de l’évaporation, et c’est ce qui transforme l’eau en vapeur d’eau et lui permet de diffuser plus rapidement des stomates.
Si les plantes étaient exposées à des températures élevées pendant une très longue période, elles pourraient perdre tellement d’eau que leurs tissus commenceraient à s’endommager. Afin de limiter les pertes d’eau par transpiration, les stomates à la surface des feuilles se ferment lorsque la température augmente. Les feuilles de certaines plantes peuvent également flétrir pour conserver l’eau. Le flétrissement provoque le relâchement des feuilles, ce qui réduit la surface disponible pour la transpiration. Les plantes telles que les cactus, qui poussent dans des environnements chauds et secs, ont des adaptations qui les aident à survivre. Par exemple, ils ont des épines en guise de feuilles, ce qui réduit la surface disponible pour la transpiration. Ils ont également des tiges épaisses et charnues qui leur permettent de stocker de l’eau.
Le prochain facteur à prendre en compte est l’humidité. L’humidité fait référence à la concentration de vapeur d’eau dans l’air. Si l’humidité est élevée, cela signifie qu’il y a une forte concentration de vapeur d’eau dans l’air. À mesure que l’humidité augmente, le taux de transpiration diminue. En effet, la transpiration repose sur la diffusion de vapeur d’eau hors de la feuille à travers les stomates. La diffusion est plus rapide lorsque le gradient de concentration est élevé, c'est-à-dire lorsqu'il y a une grande différence dans la concentration de vapeur d'eau entre l'intérieur et l'extérieur de la feuille. Comme vous pouvez le voir dans cette figure, lorsque les conditions sont humides, il y a déjà une forte concentration de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Elle ne diffère donc pas beaucoup entre l’intérieur et l’extérieur de la feuille. Et donc le taux de transpiration est faible.
Le quatrième et dernier facteur que nous allons examiner est la vitesse du vent. À mesure que la vitesse du vent augmente, le taux de transpiration augmente également. Comme pour la température, cela est dû au maintien d’un gradient de concentration de vapeur d’eau élevé. Lorsque la vitesse du vent est élevée, la vapeur d'eau est immédiatement emportée par le vent dès qu’elle s'échappe de la feuille par diffusion, la quantité d'eau aspirée dans la feuille depuis les racines est donc plus grande. Donc, il y a toujours une grande différence entre la concentration de vapeur d’eau à l’intérieur de la feuille et la concentration à l’extérieur de la feuille. Par conséquent, le taux de diffusion et donc de transpiration est élevé.
Nous pouvons mesurer le taux de transpiration et étudier comment elle est influencée par les changements environnementaux en utilisant un potomètre. Comme nous pouvons le voir sur cette figure, un potomètre se compose d’un long tube avec une pousse de plante coupée à une extrémité et un bécher d’eau à l’autre extrémité. Le système entier est rempli d’eau, et est constitué d’un tube capillaire sur toute sa longueur contenant une bulle d’air, que nous avons représentée ici en rose. Le principe du potomètre est le suivant: lorsque l'eau est absorbée par la pousse et ressort ensuite par transpiration, l’aspiration foliaire fait bouger la bulle d'air dans le tube capillaire vers la plante. En plaçant une règle à côté du tube capillaire, nous pouvons mesurer ce mouvement pour estimer le taux de transpiration.
Simulons une expérience simple. Tout d’abord, il faut s’assurer que la bulle d’air est positionnée au niveau zéro de la règle. Nous utilisons ensuite un chronomètre pour définir un temps fixé pendant lequel la bulle d’air parcourera une certaine distance. Dans cet exemple, nous avons chronométré l’expérience pendant 60 secondes et avons observé que la bulle d’air se déplaçait de 15 millimètres. Nous pouvons maintenant utiliser l’équation illustrée ici, la vitesse égale la distance divisée par le temps, pour calculer une valeur approximative du taux de transpiration dans la pousse de la plante. Il ne s’agit que d’une valeur approximative puisque l’eau absorbée par la plante ne fera pas que se diffuser hors des feuilles par transpiration. Une partie sera certainement utilisée pour d’autres processus végétaux tels que la photosynthèse.
Si nous divisons la distance parcourue par la bulle d'air, soit 15 millimètres, par le temps qu'elle a mis à parcourir cette distance, soit 60 secondes, nous pouvons calculer que la bulle d'air s’est déplacée à une vitesse de 0,25 millimètre par seconde, ce qui nous donne également une assez bonne estimation du taux de transpiration.
Comme nous l’avons déjà vu, plusieurs facteurs environnementaux affectent le taux de transpiration. Nous pouvons utiliser cette configuration du potomètre que nous venons de présenter pour mesurer ces effets. Si nous plaçons une source de lumière, telle qu’une lampe, à différentes distances de la plante, nous pouvons mesurer les effets de la variation de l’intensité lumineuse sur le taux de transpiration. Si nous reproduisons la même chose, mais cette fois en utilisant un chauffage ou un ventilateur, nous pouvons mesurer les effets de la température ou de la vitesse du vent. Enfin, si nous pulvérisons la plante avec de l’eau, puis l’attachons avec un sac en plastique pour capturer l’eau, nous pouvons simuler un environnement humide et mesurer son influence sur le taux de transpiration.
Il est important de noter que lorsque nous mesurons l’effet de chacune de ces différentes conditions, tous les autres facteurs doivent rester les mêmes. Ceux-ci sont appelés les variables de contrôle. Et ils nous permettent de s’assurer que tout changement constaté dans nos résultats est dû aux modifications de la condition spécifique étudiée. Maintenant que nous avons tout appris sur la transpiration, tentons une question pratique.
Laquelle des réponses suivantes explique le mieux la relation entre la température et le taux de transpiration? (A) Lorsque la température augmente, le taux de transpiration augmente car les molécules d’eau sont activement transportées hors de la feuille plus rapidement. (B) Lorsque la température augmente, le taux de transpiration augmente car les molécules d’eau diffusent plus rapidement de la feuille. (C) Lorsque la température diminue, le taux de transpiration augmente car les molécules d’eau sont activement transportées hors de la feuille plus rapidement. Ou (D) lorsque la température augmente, le taux de transpiration diminue car les molécules d’eau diffusent plus lentement de la feuille.
Tout d’abord, décrivons la relation entre la température et le taux de transpiration. Lorsque la température augmente, le taux de transpiration augmente également. Les options de réponse (C) et (D) suggèrent toutes deux que c’est la relation inverse. Nous pouvons donc directement les exclure car aucune d’entre elles n’est correcte. Les options de réponse (A) et (B) indiquent toutes deux la bonne relation, mais il n’y en a qu’une qui a la bonne explication. Alors, voyons laquelle des deux est correcte.
Voici un schéma simple d’une feuille de côté. Les cellules de la feuille contiennent de l’eau parce qu’elles en ont besoin comme réactif pour la photosynthèse et aussi parce qu’elle est produite comme sous-produit de la respiration cellulaire. La feuille contient également de minuscules pores situés principalement au-dessous, appelés stomates. Le rôle principal des stomates est de permettre au dioxyde de carbone de diffuser dans la feuille, car c'est un autre réactif de la photosynthèse. Mais ils peuvent également permettre aux molécules d’eau de sortir de la feuille. Et c’est ce processus qui est connu sous le nom de transpiration.
Les molécules d’eau sortent de la feuille en s’évaporant. Rappelez-vous qu’il s’agit du processus par lequel un liquide, dans ce cas de l’eau, change d’état pour devenir un gaz. Lorsque l’eau est à l’état gazeux, elle devient alors de la vapeur d’eau. Puisque la concentration de vapeur d’eau est plus élevée à l’intérieur de la feuille, les molécules d’eau sortent de la feuille par diffusion. À mesure que la température augmente, les molécules d’eau gagnent plus d’énergie. Cela signifie qu’elles se déplacent davantage et qu’elles s’évaporent et se diffusent plus rapidement de la feuille. C’est pourquoi le taux de transpiration augmente à mesure que la température augmente. Nous avons donc déterminé que l’option de réponse qui explique le mieux la relation entre la température et le taux de transpiration est (B). À mesure que la température augmente, le taux de transpiration augmente car les molécules d’eau diffusent plus rapidement de la feuille.
Résumons ce que nous avons appris dans cette vidéo en passant en revue les points clés. La transpiration est la perte d’eau des feuilles d’une plante à travers les stomates. Deux cellules de garde régulent l’ouverture et la fermeture de chaque ostiole. La poussée radiculaire et l‘aspiration foliaire fonctionnent ensemble pour transporter l’eau dans le xylème. Le taux de transpiration est influencé par une série de facteurs environnementaux. Et enfin, le taux de transpiration peut être mesuré dans différentes conditions à l’aide d’un équipement appelé potomètre.
