Surfaces d'échanges des plantes à fleurs

Sur Terre, il existe deux grandes catégories de végétaux :

Ces dernières peuvent être soit nues et produites par une feuille ovulifère : ce sont les plantes du groupe des gymnospermes (« gumnos » en grec = nue et « sperma » veut dire semence).

Si les graines sont protégées par un fruit, ce sont des plantes angiospermes (« aggeion » en grec veut dire capsule). Le fruit correspond à la transformation d’une structure appelée fleur et correspondant au regroupement des organes reproducteurs.  

Les plantes à fleurs ont donc une vie fixée à l’interface sol/atmosphère pour les plantes aériennes ou sol/eau pour les plantes aquatiques. On les trouve dans des environnements variables et doivent donc résister aux variations du milieu.

Les plantes à fleurs sont des végétaux chlorophylliens : elles réalisent la photosynthèse afin de créer leur propre matière organique à partir de matière minérale (elles sont autotrophes). Cette matière organique leur permettra de se développer et de se reproduire. Elles doivent alors récupérer de la matière minérale dans le milieu. Pour cela elles doivent donc disposer de surfaces d’échanges aux interfaces sol/plante et air/plante ou eau/plante.   

L’absorption des sels minéraux se fait par transport actif (passage d'un ion ou d'une molécule à travers une membrane contre son gradient de concentration). La plupart des sels minéraux sont puisés sous forme d’ions dans la solution du sol (eau et sels minéraux dissouts). 

L’intérieur de la cellule du poil absorbant étant alors hypertonique (plus riche en sels) par rapport à l’extérieur, l’eau va entrer par osmose (diffusion de matière entre 2 solvants). Les solutions du sol traversent donc la paroi hydrophile des poils absorbants et remontent en direction des vaisseaux au centre de la racine en raison d’une pression osmotique de plus en plus élevée (milieu de plus en plus hypertonique). 

La majorité des végétaux vivent en association avec des champignons du sol : on parle de symbiose ou de mutualisme car les deux partenaires tirent bénéfice de l’association. On observe une liaison étroite entre leurs racines et le mycélium des champignons : ces associations donnent ce que l’on appelle des « mycorhizes ».

Ces mycorhizes favorisent la croissance des deux partenaires de l’association. En effet, en développant un réseau de filaments connectés aux racines, le champignon augmente la surface d’échange entre la plante et le sol, favorisant ainsi l’absorption racinaire. Ceci aura pour conséquence d’induire une meilleure croissance de la plante. Le champignon quant à lui bénéficie de matière organique produite par la plante et notamment des sucres. 85% des végétaux développent des mycorhizes.

La photosynthèse a principalement lieu dans les feuilles qui forment une grande surface d’échange avec l’atmosphère ou avec l’eau. Elles y prélèvent le dioxyde de carbone et captent la lumière grâce aux chloroplastes, rejettent de la vapeur d’eau et du dioxygène.

En répétant plusieurs fois de suite cette réaction, les cellules associent entre elles les molécules de glucose formées :

pour former de l'amidon:

L’amidon fabriqué est une réserve d’énergie pour la plante qui l’utilisera lors de la fabrication de matière organique à partir de sels minéraux prélevés dans le sol (protéines, lipides, autres glucides, vitamines…). 

Dans de bonnes conditions hydriques, les deux cellules stomatiques absorbent l’eau, se gonflent et se courbent, permettant l’ouverture de l’ostiole et les échanges. En effet, lorsque les cellules de garde sont turgescentes (gonflées d’eau), la paroi extérieure plus mince et plus souple se dilate plus que la paroi interne qui est plus épaisse et plus rigide : les cellules s'incurvent comme un haricot ou un rein (d’où le nom de cellules réniformes) et l'ostiole s'ouvre.   

L'ion potassium est l'élément déterminant du phénomène : son entrée et sa sortie de la vacuole des cellules de garde sont étroitement contrôlées et gouvernent la turgescence des cellules stomatiques et donc l'ouverture des stomates. En effet, l’eau circule selon le gradient de concentration de K+ pour maintenir le niveau de soluté identique à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.

La lumière bleue est responsable de ce mécanisme. Elle présente un effet spécifique sur la membrane plasmique des stomates et enclenche une série de phénomènes. Des ATPases membranaires (enzymes) hydrolysent l'ATP (Adénosine triphosphate, molécule énergétique) et provoquent l'excrétion de protons H+ (on parle de pompe à protons). L'équilibre électrique est conservé grâce à l'entrée d'ions potassium (K+).

L’équilibre de pH est conservé par l’entrée conjointe de K+ et Cl-. Le K+ est alors concentré dans la vacuole avec deux anions d'accompagnement, le malate (produit de la photosynthèse) et le Cl-, ce qui entraîne une forte augmentation de la pression osmotique vacuolaire à l’origine du changement de turgescence.  

Les stomates se ferment lorsque la pression de turgescence diminue parce que de l'eau sort de la cellule. L'eau sort de la cellule car les ions K + sortent de celle-ci lors de l’arrêt de la pompe à protons.

Il existe un certain nombre de signaux qui peuvent provoquer la fermeture des stomates, notamment une augmentation de la concentration de CO2 ou de celle de l'hormone acide abscissique. Cette hormone est appelée hormone du stress : elle est produite en cas de stress hydrique ce qui permet de fermer les stomates et de diminuer la perte en eau.   

Même si les plantes sont conservées dans l'obscurité, les stomates s'ouvrent et se ferment toujours environ toutes les 24 heures, ce qui signifie qu'ils sont régulés par les rythmes circadiens des plantes (cycle de fonctionnement d’une durée de 24h). L'ouverture et la fermeture des stomates sont également influencées par la température, l'humidité et le stress.  

Les feuilles doivent donc capter un maximum d’énergie solaire. La surface foliaire de capture d’énergie correspond aux faces supérieures et inférieures des feuilles. Concernant la surface d’absorption des gaz, celle-ci se divise en deux parties : 

Cette dernière est en général 30 fois supérieure à la première. 

Les paramètres du milieu (température, humidité, richesse en éléments minéraux) sont variables d’un endroit à l’autre mais également dans le temps (à l’échelle d’une journée ou d’une année).

Les plantes annuelles, vivant moins de un an, passeront la mauvaise saison sous forme de graine.

Les plantes vivaces, qui vivent plusieurs années : 

Les plantes fixées sont dans l’incapacité de fuir devant les prédateurs. Au cours de leur évolution, elles ont développé des stratégies défensives, empêchant ou limitant l’action des prédateurs et des envahisseurs :