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Les surfaces d'échanges

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Objectif(s)

Identifier les surfaces d’échanges des angiospermes.
Comprendre que ces surfaces d’échange sont modulables en fonction des besoins de la plante.
Décrire l’organisation de la feuille en lien avec sa fonction.
Décrire l’organisation d’une racine en lien avec sa fonction.
Montrer que les vaisseaux conducteurs constituent un circuit fermé.
Connaître le sens de circulation et la composition de la sève brute.
Connaître le sens de circulation et la composition de la sève élaborée.
Savoir associer à chaque sève son vaisseau conducteur.

Points clés

L'organisation fonctionnelle des plantes à fleurs appelées Angiospermes est mise en relation avec les exigences d'une vie fixée, en relation avec deux milieux : l'air et le sol.
Les angiospermes sont des organismes autotrophes qui puisent dans le milieu les éléments nutritifs dont ils ont besoin pour se développer.
Le système aérien est composé d’une tige qui porte les feuilles, siège de la photosynthèse. L’organisation de cet organe favorise la capture des rayons lumineux ainsi que les échanges de gaz avec l’atmosphère et assure ainsi la voie métabolique indispensable à la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique et à la production de matière organique.
Le système racinaire est composé de racines plus ou moins étendues et constituées à leur extrémités de cellules spécialisées appelées “poils absorbants”. Ces caractéristiques permettent d’optimiser le prélèvement de l'eau et des sels minéraux indispensables au métabolisme de la plante.
Ces deux systèmes communiquent entre eux grâce à deux types de tissus conducteurs :
- le xylème qui transporte la sève brute ;
- le phloème qui transporte la sève élaborée.
  Ceci permet à chaque cellule de la plante de recevoir les nutriments dont elle a besoin pour assurer sa fonction.

Pour bien comprendre

Organisation fonctionnelle d’une plante.
La photosynthèse des végétaux.
Le devenir des produits de la photosynthèse.
L'organisation du vivant - Des organismes pluricellulaires : les végétaux.
Diversité des métabolismes à l'échelle de la cellule.

1. La feuille : surface d'échange avec l'atmosphère

a. La surface d'échange

Les feuilles des plantes offrent une très grande surface d’échange gazeux avec l’air, appelée surface foliaire. Si on compare la surface d’absorption des gaz entre un animal et une angiosperme, on constate que la surface d’échange est nettement plus élevée chez l’angiosperme.

Exemple : chez la violette la surface d’absorption des gaz est de 1520 cm2/g alors que chez l’Homme elle n’est que de 0.020 cm2/g. De plus, la surface foliaire est modulable en fonction des conditions du milieu. Elle peut augmenter afin d’optimiser la quantité d’énergie lumineuse captée et de gaz prélevée.

b. La nature des échanges

L’étude des échanges gazeux avec l’air chez la plante chlorophyllienne révèle l’existence de deux voies métaboliques :

La respiration au cours de laquelle les végétaux consomment du dioxygène et rejettent du CO₂. La respiration est surtout mesurable à l’obscurité.
La photosynthèse, au cours de laquelle les végétaux consomment du CO₂ et rejettent du O₂. Elle n’est mesurable qu’à la lumière.

c. Organisation fonctionnelle de la feuille

Une feuille est constituée d'un limbe et d'un pétiole qui la relie à la tige. C'est le limbe qui est spécialisé dans les échanges gazeux entre la plante et l'atmosphère.

Structure d'une feuille simple

La feuille est un organe associant différents tissus assurant chacun un rôle précis et indispensable pour la survie de la plante.

Du dessus vers le dessous, on trouve :

L’épiderme supérieur formé d’une seule couche de cellules est recouvert d’une cuticule imperméable qui empêche les pertes hydriques sous l’effet des rayonnements solaires.
Le parenchyme chlorophyllien palissadique constitué de cellules allongées riches en chloroplastes. Leur bonne exposition aux rayonnements lumineux favorise la photosynthèse.
Le parenchyme chlorophyllien lacuneux est formé de cellules de forme arrondie séparées par des espaces appelés lacunes dans lesquelles circulent les gaz.
L’épiderme inférieur est constitué d’une seule couche de cellules recouverte d’une cuticule imperméable. Il est perforé par des orifices appelés stomates connectés aux lacunes et permettant l’entrée et la sortie des gaz.

Coupe transversale d'une feuille

Les stomates sont formés par deux cellules spécialisées s'organisant autour d'une ouverture, l'ostiole, par laquelle circulent les gaz. Les stomates sont fermés la nuit pour permettre aux racines d'absorber de l'eau et aux périodes les plus chaudes de la journée pour éviter la dessiccation (la déshydratation de la plante par les feuilles).

Cette organisation permet à la feuille d’assurer sa fonction de façon optimale :

La face inférieure permet l'absorption des gaz qui pénètrent dans les lacunes et circulent dans le parenchyme lacuneux. Ils rejoignent ensuite dans les différentes cellules chlorophylliennes (celles du parenchyme lacuneux et celles du parenchyme palissadique) pour permettre la photosynthèse.
La face supérieure est orientée en direction des rayons du soleil afin d’optimiser la capture de l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.

Les échanges de gaz dans les feuilles

Ainsi, plus les feuilles ont une surface développée, plus elles captent l'énergie du soleil et plus les échanges de gaz avec l'atmosphère sont efficaces.

2. Les racines : surface d'échange avec le sol

Ce sont les racines qui sont chargées de puiser l'eau et les minéraux du sol pour pouvoir assurer le métabolisme et la croissance de la plante.

Les racines se déploient dans le sol à la recherche d'eau. Plus le sol sera sec, plus les racines vont se ramifier et aller en profondeur.

Exemple : les racines de la Vigne des coteaux calcaires assez sec à Saint-Emilion peuvent atteindre 5 à 6 m de profondeur pour pouvoir puiser de l'eau en été.

De plus, pour optimiser l'absorption de l'eau, l'extrémité de chaque racine est recouverte de poils absorbants : c'est la zone pilifère. De très petit diamètre mais très nombreux, ils augmentent considérablement la surface d'échange entre le sol et la plante.

Chaque poil absorbant correspond à une extension cytoplasmique d’une cellule spécialisée de l’assise pilifère dans laquelle se trouve une vacuole impliquée dans la régulation de la pression hydrique de la cellule. Elle favorise ainsi les flux entrant d’eau et de sels minéraux dissous.

Dessin d'observation d'un poil absorbant au microscope électronique

3. Les tissus conducteurs à l'origine de la circulation de matière dans la plante

a. La circulation ascendante

L'eau et les minéraux puisés dans le sol servent principalement aux cellules chlorophylliennes des feuilles pour réaliser la photosynthèse. Il faut donc un système dans la plante pour faire circuler cette matière du sol vers les feuilles.

La matière puisée par les racines (eau + minéraux) constitue la sève brute. Elle est véhiculée par des cellules mortes, en forme de tube, constituant les vaisseaux du xylème (comme ces cellules sont mortes, elles sont vides de cytoplasme ce qui facilite la circulation de la sève). Cette sève brute alimente les feuilles qui peuvent réaliser la photosynthèse et produire ainsi de la matière organique.

b. La circulation descendante

Les végétaux chlorophylliens sont autotrophes : ils produisent leur propre matière organique. Cette production permet d’alimenter toutes les cellules et donc tous les organes de la plante. Le siège de cette synthèse est la feuille. Elle aboutit dans un premier temps à la production de glucides qui pourront ensuite être stockés dans la plante sous la forme d’amidon. Cet amidon est retrouvé aussi bien au niveau des structures aériennes (graines) qu’au niveau de structures racinaires (tubercules). Étant insoluble, il est transporté sous la forme de saccharose par les vaisseaux conducteurs appelés phloème (ensemble de tubes criblés) dans la sève élaborée. La sève élaborée alimente ainsi toute les cellules de la plante.