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ETUDE DE LA TRANSPIRATION D’UNE PLANTE PAR EXAO

Communication présentée au colloque ENS - INRP :
 "Informatique et communication dans l'enseignement des SVT"
Paris, 15-17 octobre 1997.


INTRODUCTION
Le programme 1995 de seconde du lycée comporte un chapitre intitulé " Fonction de nutrition et organisation fonctionnelle chez un végétal chlorophyllien vasculaire ". Au chapitre des activités envisageables figurent la mise en évidence de la transpiration foliaire et les expériences classiques sur ce phénomène menées avec un potomètre. C’est principalement dans ce domaine que le dispositif présenté ici peut être exploité en classe. L’utilisation de l’ExAO dans ce cadre présente deux avantages importants : rendre possible une plus grande variété d’expériences que le potomètre et donc des investigations plus riches ; permettre des traitements des résultats qui apportent des informations nouvelles. A l’aide de ce dispositif, on peut ainsi mesurer l’intensité de la transpiration dans les conditions naturelles sur une durée plus ou moins longue, expérimenter en faisant varier tel ou tel facteur : intensité lumineuse, température du sol, quantité d’eau du sol, HR de l’air, teneur en dioxyde de carbone de l’air, comparer la transpiration des faces supérieures et inférieures d’une feuille etc.

On présentera ici un exemple de démarche d’investigation et les résultats obtenus avec ce matériel mais, en raison du temps disponible, seule une manipulation simple destinée à mettre en évidence l’action de la lumière sur l’intensité de la transpiration foliaire sera mise en œuvre.


1. MATERIEL

Le dispositif présenté est basé sur l’utilisation de deux capteurs d’humidité de petites dimensions réalisés en technologie hybride et reliés à un boîtier permettant leur alimentation via l’interface et le conditionnement du signal. Il comporte en outre une enceinte transparente dans laquelle est placé le matériel biologique en expérience. L’enceinte, parcourue par un courant d’air produit par une pompe est divisée en deux chambres séparées par une valve anti-retour assurant une circulation unidirectionnelle de l’air. La première chambre reçoit un des deux capteurs d’humidité qui mesure l’humidité relative de l’air atmosphérique (HR) entrant dans l’enceinte. La seconde chambre reçoit le deuxième capteur d’humidité et le matériel biologique en expérience. Il peut s’agir d’une feuille ou d’un rameau appartenant à une plante en pot ou d’une ou plusieurs feuilles isolées. La différence d’humidité relative mesurée par les capteurs entre l’air pénétrant dans l’enceinte et l’air sortant de l’enceinte dépend donc de l’intensité de l’émission de vapeur d’eau par le matériel biologique en expérience c’est à dire de la transpiration. Il est utile également d’ajouter au dispositif d’autres capteurs selon ce que l’on désire étudier, par exemple un capteur de lumière et un capteur de température. Enfin, un dispositif permettant de régler le débit d’air et une turbine destinée à le visualiser sont annexés au circuit d’air.

La figure suivante représente le dispositif.

Les capteurs peuvent aussi être utilisés sans l’enceinte : en appliquant un capteur contre une des faces de la feuille, on pourra comparer transpiration et humidité relative de l’atmosphère. En appliquant un capteur contre chaque face de la feuille, on pourra comparer la transpiration des deux faces.

Divers logiciels peuvent être utilisés pour piloter l’interface au cours des expériences : logiciels généralistes sous MS-DOS ou Windows, logiciel dédié. Dans les expériences présentées ici, l’interface est pilotée par un logiciel généraliste, Regressi. Il existe cependant un logiciel dédié adapté à l’utilisation de ce matériel.


2. DEMARCHE PEDAGOGIQUE

Des démarches variées sont envisageables pour traiter le problème de la transpiration foliaire. Elles peuvent, par exemple, comporter des observations (enregistrements de paramètres naturels) qui motivent des investigations expérimentales. C’est le parti qui a été pris ici. La démarche est destinée, d’une part, à explorer les relations qui peuvent exister entre la transpiration d’une plante et certains facteurs du milieu et, d’autre part, à préciser certains mécanismes de la transpiration. Les investigations menées découlent des constats réalisés à la suite de mesures de paramètres environnementaux pendant quelques jours en l’absence de l’expérimentateur. Le matériel biologique utilisé est un plant de lierre terrestre en pot mais de nombreuses plantes peuvent être aisément utilisées de la même façon.


2.1 Le problème biologique

Sachant que le fonctionnement des plantes dépend étroitement des paramètres de l’environnement, on se propose dans un premier temps de suivre simultanément la transpiration de la plante et quelques facteurs de l’environnement. Un rameau comportant quelques feuilles est placé dans l’enceinte du dispositif expérimental, un courant d’air est établi et l’ensemble est placé devant une fenêtre de façon à recevoir la lumière naturelle. En plus des capteurs d’humidité, un capteur de température et un capteur de lumière sont utilisés. L’enregistrement des différents paramètres est poursuivi pendant trois jours et quatre nuits afin d’observer leurs variations naturelles. La figure 1 (copie d’écran) présente les résultats obtenus.

Figure 1. Enregistrement simultané de la température ambiante (Temp), de l’intensité lumineuse (IL), de HR à l’entrée (EA2) et à la sortie (EA3, jaune) du dispositif pendant quatre jours.

L’enregistrement permet de visualiser l’alternance jour-nuit par les variations cycliques de l’intensité lumineuse, de constater que les variations de température sont faibles (+ ou - 2°C), que l’humidité relative de l’atmosphère a tendance à diminuer le jour et à augmenter la nuit tandis que la transpiration a tendance à diminuer la nuit et à augmenter le jour.

Dans le but d’obtenir une image plus précise des relations entre ces paramètres, un traitement des données est réalisé avec le logiciel. Il permet d’obtenir un nouveau tracé faisant apparaître la transpiration par calcul de la différence entre les variations d’humidité relative de l’air à la sortie et à l’entrée du dispositif. Le tracé correspondant aux variations d’humidité de l’air à la sortie du dispositif est ensuite éliminé de même que le graphique des températures dont les variations sont jugées trop faibles pour influencer la transpiration. On obtient ainsi la copie d’écran de la figure 2.

Figure 2. Traitement du graphique de la figure 1. HR à l’entrée (EA2), transpiration (T) et intensité lumineuse (IL).

Le graphique montre que HR pendant la journée et remonte le soir ou pendant la nuit, les variations restant faibles. Compte tenu de la réponse du capteur, les variations naturelles de HR atmosphérique sont comprises entre 45 % et 55 % et ne semblent pas influencer la transpiration de façon nette. L’intensité lumineuse reçue par le dispositif varie différemment selon les jours en raison à la fois de la disposition du laboratoire autorisant des réflexions parasites à certaines heures (présence d’immeubles en face de la fenêtre) et des changements météorologiques intervenus pendant les mesures (journée ensoleillée, passages nuageux, journée couverte). L’allure générale de l’enregistrement concrétise néanmoins nettement l’alternance jour-nuit. Enfin, la transpiration est importante pendant la journée et devient très faible ou nulle pendant la nuit. Il semble donc exister une corrélation entre transpiration et intensité lumineuse. Pour améliorer la définition, un agrandissement partiel de deux journées est réalisé avec la fonction zoom du logiciel (voir figure 3A et figure 3B).



Figures 3A et 3B. Détails de deux journées. Intensité lumineuse (IL) et transpiration (TR)

Le parallélisme entre les tracés montre une corrélation entre variations de l’intensité lumineuse et variations de la transpiration pendant les deux jours étudiés. Chaque variation d’intensité lumineuse est suivie d’une augmentation de même sens de la transpiration. Ainsi, parmi les différents paramètres environnementaux suivis, ce sont les variations d’intensité lumineuse qui paraissent le mieux corrélées aux variations de transpiration mesurées. Ces constatations amènent à se poser le problème des interactions entre lumière reçue par la plante et intensité de la transpiration. Pour étudier ce problème, il est décidé de mener une étude expérimentale de ces interactions sur une période plus brève afin d’observer l’effet éventuel de l’éclairement sur l’intensité de la transpiration.



2.2 Etude expérimentale

L’étude expérimentale est menée sur un rameau de quelques feuilles placé dans l’enceinte. Cette dernière est d’abord maintenue à l’obscurité. Le capteur de température, non indispensable, a été supprimé et un spot halogène de 20 W est placé à 40 cm de l’enceinte. Après quinze minutes d’obscurité, le spot est successivement allumé puis éteint pendant des périodes d’une vingtaine de minutes. La figure 4 présente la copie de l’écran obtenu.


Figure 4. Réponse à un éclairement après un séjour à l’obscurité. HR à l’entrée (Hum1), transpiration (T), intensité lumineuse (IL).

La figure montre que très rapidement après l’allumage du spot HRs augmente rapidement indiquant que la plante augmente considérablement sa transpiration sous l’action de la lumière après un court temps de latence. Après l’extinction, la transpiration cesse d’augmenter puis diminue progressivement, la vitesse de diminution étant un peu plus faible que celle d’augmentation. En outre, lorsque l’on éclaire de nouveau la plante avec une intensité supérieure à la précédente, la transpiration augmente de nouveau et présente une intensité plus forte. La transpiration peut donc être déclenchée par la lumière tandis que l’obscurité la fait cesser expliquant l’allure des tracés obtenus lors de l’enregistrement des conditions naturelles. De plus, l’intensité de la transpiration semble dépendre de l’intensité lumineuse reçue par la plante. Les variations de transpiration n’obéissent donc pas à un cycle autonome mais dépendent de la lumière qui atteint la plante.

On se propose alors de rechercher la localisation des éléments répondant à l’action de la lumière. Dans un premier temps, le rameau dont on mesure la transpiration est maintenu à l’obscurité tandis que le reste de la plante est éclairé. On n’observe alors aucune augmentation de la transpiration ce qui suggère que seules les feuilles captant la lumière modifient leur transpiration. Il est alors décidé de rechercher si les deux faces d’une feuille sont équivalentes concernant la réponse à la lumière. Pour cela, un capteur est appliqué sur la face supérieure d’une feuille et l’autre sur la face inférieure. La feuille est ensuite placée à l’obscurité et on laisse le système s’équilibrer car la manipulation des feuilles aboutit à une forte libération de vapeur d’eau. Une fois la réponse des capteurs stabilisée, la feuille est d’abord soumise à un éclairement de sa face supérieure. Une seconde expérience est ensuite menée dans des conditions similaires mais en éclairant la feuille par la face inférieure. La figure 5 présente les résultats obtenus lors des deux expériences.

Figure 5. Réponse des faces inférieure et supérieure d’une feuille de lierre à un éclairement d’une seule face. 1 et 2 : transpiration des faces supérieure et inférieure lorsque la face supérieure est éclairée. 3 et 4 : transpiration des faces inférieure et supérieure lorsque la face inférieure est éclairée.

Les enregistrements, obtenus par superposition logicielle des deux séries de mesures, montrent que seule la face inférieure est le siège d’une transpiration notable et qu’elle seule répond significativement à la lumière, la faible transpiration de la face inférieure obtenue lors de l’éclairement de la face supérieure pouvant être due à la lumière transmise à travers les parenchymes de la feuille. On en déduit donc, d’une part, que seule la face inférieure de la feuille transpire et, d’autre part, que les photorécepteurs impliqués dans cette réaction sont localisés sur la seule face transpirante. Ces résultats justifient alors une étude microscopique de l’épiderme permettant d’identifier les structures responsables de la transpiration. Cette étude, classique mais ne relevant pas de l’ExAO, ne sera pas décrite ici.


CONCLUSION

Les résultats présentés ont essentiellement pour but de montrer l’utilisation qu’il est possible de faire de l’ExAO dans le cadre d’une démarche d’investigation enchaînant des activités diverses. Trop souvent, l’ExAO se limite encore à l’acquisition d’une série de mesures expérimentales simplement destinées à se substituer aux expérimentations classiques que l’on menait avant l’introduction de l’ordinateur dans nos laboratoires. Dans ces conditions, elle n’apporte rien de plus que les appareillages classiques et peut donc sembler superflue. Or, cet outil n’est pas un simple substitut à l’expérimentation avec des moyens traditionnels. Il est riche de possibilités permettant de diversifier les types de mesures, d’obtenir plus de précision dans les résultats, de dupliquer les expériences et de faire subir aux données acquises des traitements, y compris statistiques, permettant souvent d’aller beaucoup plus loin, toutes caractéristiques spécifiques d’une véritable activité scientifique. En combinant divers types d’acquisitions avec des capteurs différents et des traitements des mesures, il est possible de poser des problèmes plus complexes et d’y apporter des réponses, sans doute toujours partielles, mais nettement plus riches que ce que permettent des moyens " classiques " appliqués au même domaine.



Bibliographie Cruziat P. & Lagouarde J.P. Actes de l’école-chercheurs INRA en bioclimatologie, Tome 1 : de la plante au couvert végétal, INRA,1996, 670 p
Darrigan J.M. & Turck M. Etude expérimentale de la transpiration des végétaux. L’informatique scientifique dans l’enseignement de la biologie et de la géologie au lycée, INRP, 1991, pp 181-185
Grignon C. Les transports chez les végétaux, 2ème partie, 1989, Biologie-Géologie, volume 2, pp 331- 364
Heller R. Abrégé de physiologie végétale, tome 1 : nutrition, Masson, 1977, 244 p
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