Les relations entre organisation et mode de vie, résultat de l'évolution : l'exemple de la vie fixée chez les plantes

À la différence des animaux, qui dans la majorité des cas sont mobiles dans leur environnement, peuvent aller chercher leur alimentation, tenter d'échapper à leur prédateur, se prémunir contre les agressions de l'environnement par diverses stratégies (hibernation, migration…), le végétal est le plus souvent un être fixé dans son substrat. La plante est constituée de racines ancrées dans le sol portant des tiges feuillées qui se développent en milieu aérien. La plante se caractérise par un mode de vie fixée à l'interface entre le milieu aérien et le sol. Comment l'organisation des plantes à fleurs est-elle adaptée à leur vie fixée à l'interface entre le sol et l'atmosphère ?
1. La plante : un mode de vie fixé à l'interface entre le sol et l'atmosphère
Comme tout être vivant, le végétal réalise des échanges avec son milieu de vie : échanges d'énergie et de matière. Chez le végétal, ces surfaces sont externes, chez l'animal, elles sont majoritairement internalisées.
Les échanges entre un végétal et son milieu
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Les échanges entre un animal (l'Homme) et son milieu
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Comparaison des surfaces d'échanges chez les êtres vivants


Surface/masse (m2/kg)
Surface/masse (m2/kg)


Végétal
Animal
Énergie
Capture des photons (lumière)
1,5 à 5


Chaleur

0,027

Nutriments (matière organique = aliments)

2,8
Gaz
CO2 sortant, O2 entrant (= respiration)
45 à 150
1,85

O2 sortant, CO2 entrant (= photosynthèse)
45 à 150

Eau et sels minéraux

194 à 660
2,8

Le végétal s'oriente pendant son développement afin de coloniser l'espace de la façon la plus adéquate. La racine pousse vers le sol sous l'effet de la gravité, mais également vers la source d'humidité. Si une plante s'est mise à pousser à l'obscurité, elle va être étiolée, de grande taille et blanchâtre. La partie aérienne pousse en direction de la source lumineuse. Ces paramètres du milieu sont perçus par la plante, au niveau des zones situées à l'extrémité des tiges et des racines où se déroulent les divisions cellulaires, orientant ainsi la croissance de ces organes.
Les échanges entre la plante et le sol
Les surfaces d'absorption de l'eau et des sels minéraux du sol
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Une plante non arrosée se déshydrate alors que dans une terre humide, elle se développe. En plus d'une fonction d'ancrage, les racines sont l'organe d'absorption de l'eau et des sels minéraux. L'expérience classique représentée dans la figure précédente illustre cette propriété : à l'extrémité des racines, des cellules particulières forment des prolongements : les poils absorbants. Si on supprime ces cellules, la plante va flétrir même si elle est dans l'eau. Si cette zone de poils absorbants est dans l'huile, la plante flétrit même si toute la racine est dans l'eau.
Ces poils absorbants sont donc responsables de l'absorption de l'eau et des sels minéraux du sol. Chez de nombreuses plantes, la surface d'absorption racinaire est fortement augmentée grâce à une symbiose avec des champignons : les mycorhizes. Ces champignons augmentent la surface d'échanges racinaires d'un facteur supérieur à 100.
Chez certaines plantes, il existe également une symbiose avec des bactéries au niveau de nodosités : ces bactéries sont capables de fixer l'azote et fournissent des composés azotés au végétal.
Les échanges entre la plante et l'atmosphère
Avec du papier bleu cobalt, on peut mettre en évidence la sortie d'eau au niveau des feuilles et plus exactement au niveau des stomates, structures au sein de l'épiderme, permettant l'échange de gaz avec le milieu et dont l'ouverture est contrôlée en fonction des conditions climatiques.
Les feuilles sont majoritairement formées de cellules chlorophylliennes, contenant des chloroplastes. Lors de la photosynthèse, ces organites captent la lumière et à partir du dioxyde de carbone, synthétisent des glucides. La forme de transport de ces glucides est le saccharose (une molécule de glucose associée à une molécule de fructose).
Les échanges au niveau d'une feuille
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Les échanges de matière au sein du végétal
Une coupe transversale de tige, de racine, ou de feuille montre la présence de tissus de soutien (collenchyme, sclérenchyme), mais surtout des tissus conducteurs des sèves. Le xylème transporte l'eau et les sels minéraux, contenus dans la sève brute des racines vers le reste de la plante, tandis que le phloème transporte la sève élaborée riche en matières organique des feuilles et autres organes chlorophylliens vers les autres organes de la plante (dont les organes de stockage de réserves : fruits, tubercules…).
Schémas interprétatifs d'une coupe transversale de tige
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Schéma interprétatif des vaisseaux conducteurs de sève dans une tige
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Schéma interprétatif d'une coupe transversale d'une portion de feuille
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2. Les stratégies de défense des plantes
La défense contre les variations saisonnières
Afin de résister aux conditions rigoureuses de l'hiver, les plantes peuvent soit perdre leurs feuilles –  les zones de croissance situées à l'extrémité des tiges sont protégées au sein de bourgeons  –, soit mourir et des graines assureront la reprise de la végétation, soit avoir des structures de résistance (présence de cuticule épaisse sur les feuilles). Certaines plantes peuvent synthétiser des molécules antigel.
La défense contre les agressions du milieu
Prenons l'exemple d'un milieu méditerranéen : la garrigue. Milieu chaud et sec l'été, doux l'hiver, contenant une faible disponibilité en eau (la roche calcaire est perméable), soumis à des incendies… Des adaptations morphologiques et physiologiques permettent aux végétaux tels que le thym ou la lavande de résister aux conditions du milieu : feuilles réduites retenant l'humidité avec des cuticules épaisses et couvertes de poils, des stomates enfoncés ; libération d'essences volatiles (qui diminuent la température en s'évaporant) ; formes de résistance : bulbes, rhizomes…
La défense contre les prédateurs
Des piquants (comme chez le cactus), des feuilles épineuses (comme chez le chardon), empêchent les prédateurs de s'attaquer aux végétaux. Les plantes peuvent également synthétiser des toxines les rendant impropres à la consommation. Certaines sont capables d'émettre des signaux attirant des guêpes parasites de leurs prédateurs.
3. Reproduction des plantes à fleur et vie fixée
La structure d'une fleur
A : coupe transversale d'une fleur type, B : vue de dessus, C : diagramme floral (pièces non soudées les unes aux autres).
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Les fleurs sont constituées de différentes pièces florales, situées sur des cercles concentriques, appelés verticilles. De l'extérieur vers l'intérieur de la fleur se trouvent les sépales, les pétales, les étamines et le pistil. Le développement des fleurs est sous le contrôle de gènes du développement. Des mutations de ces gènes homéotiques (apetala, agamous, pistillata, etc.) conduisent à des fleurs mal formées : la mutation apetala2 est responsable de la transformation des sépales en carpelles et des pétales en étamines. Les étamines et le pistil constituent les organes reproducteurs de la plante. Le pistil, renfermant les ovules ou gamètes femelles, forme l'organe reproducteur femelle. Les étamines, qui abritent les grains de pollen contenant les gamètes mâles, forment l'organe reproducteur mâle.
La plupart des fécondations chez les plantes sont croisées : elles ont lieu entre deux gamètes provenant de deux individus différents de la même espèce. Dans ce cas, le mode de vie fixé des plantes impose un transport du pollen appelé pollinisation. La pollinisation peut être effectuée par le vent, l'eau ou des animaux, majoritairement des insectes. Les pièces fertiles (pistil et étamines) sont adaptées au mode de dispersion du pollen : ainsi, pour une dispersion par le vent, les stigmates sont plumeux et les étamines tombantes. Dans le cas d'une coopération animale, la fleur par sa couleur, la présence de nectaires (glandes qui sécrètent le nectar), l'odeur ou la chaleur qu'elle dégage va attirer l'animal pollinisateur, qui présente, lui aussi, des adaptations morphologiques à la pollinisation de la plante. Cette relation entre l'animal et la plante est souvent spécifique. Les adaptations développées par les deux espèces sont le résultat d'une coévolution entre l'insecte pollinisateur et la plante à fleur : les deux espèces en relation étroite évoluent de manière coordonnée.
Après la fécondation des ovules contenus dans le pistil par les gamètes mâles des grains de pollen, les ovules fécondés se transforment en graines, tandis que la fleur se transforme en fruit.
La structure d'un fruit
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Les fruits contenant les graines peuvent être secs ou charnus. Pour certaines espèces, les graines se dispersent spontanément dans leur environnement (par exemple le concombre éclate), pour d'autres, un vecteur est nécessaire pour la dispersion des graines. Ces vecteurs peuvent être :
  • les animaux qui peuvent disséminer les graines passivement (les fruits s'accrochent au pelage) ou activement, volontairement ou pas. Ainsi, le fruit peut être digéré par l'animal et les graines sont relâchées avec les excréments, dans du fumier immédiatement disponible. Là aussi, il peut y avoir une collaboration étroite entre l'animal disséminateur et la plante, résultant d'une coévolution.
  • le vent qui transporte des fruits secs dotés d'expansions membraneuses, comme des ailettes (exemple : pissenlit, érable) ;
  • l'eau comme chez le nénuphar.
Ainsi, ancrée dans le sol, la plante présente un réseau racinaire et une surface foliaire optimisés pour capturer le maximum de photons, absorber l'eau, les sels minéraux (nitrates, phosphates…), les gaz (O2 et CO2) impliqués dans la respiration et la photosynthèse. Afin de résister aux dangers auxquels ils sont exposés, les végétaux possèdent diverses stratégies : formes de résistance, production de toxines… Une coévolution avec des animaux a permis d'optimiser la dispersion du pollen et la dissémination des graines.
Exercice n°1Exercice n°2Exercice n°3Exercice n°4Exercice n°5
Ce qui est attendu…
  • Savoir estimer les surfaces d'échanges d'une plante par rapport à sa masse ou son volume, en comparaison avec celles d'un animal.
  • Savoir schématiser l'organisation d'une plante-type et en décrire un exemple.
  • Savoir recenser, extraire et exploiter des informations concernant des mécanismes protecteurs chez une plante (production de cuticules, de toxines, d'épines, etc.).
  • Savoir analyser les modalités de résistance d'une plante aux variations saisonnières.
  • Savoir réaliser la dissection d'une fleur simple et traduire les observations sous une forme schématique simple (diagramme floral).
  • Savoir mettre en évidence les relations entre une plante et un animal pollinisateur et les relations entre une plante et un animal assurant sa dissémination.
Les stomates :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
permettent l'entrée d'O2 au niveau des feuilles.
permettent l'entrée de CO2 au niveau des feuilles.
sont généralement situés sur la face supérieure des feuilles.
sont indispensables pour la réalisation de la photosynthèse.
Les stomates permettent l'entrée de CO2 dans les feuilles, indispensable à la réalisation de la photosynthèse. Ils sont situés généralement sur la face inférieure des feuilles.
La sève brute :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
circule dans les vaisseaux du phloème.
circule dans les vaisseaux du xylème.
permet d'apporter les matières prélevées dans le sol jusqu'aux feuilles.
contient de l'eau et des matières organiques.
La sève brute circule dans les vaisseaux du xylème. Elle permet d'apporter l'eau et les ions prélevés dans le sol jusqu'aux feuilles.
La fleur :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
comprend trois types de pièces florales.
a une organisation contrôlée par des gènes de développement.
comprend des étamines qui sont les organes reproducteurs femelles.
nécessite souvent une pollinisation croisée pour qu'il y ait reproduction.
La fleur comprend quatre types de pièces florales organisées en verticilles. Cette organisation est contrôlée par des gènes de développement. Les étamines sont les organes reproducteurs mâles. La reproduction fait souvent intervenir une pollinisation croisée des fleurs.
Les grains de pollen :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
sont transportés uniquement par zoogamie.
fécondent directement les ovules.
sont indispensables à la reproduction de la plante.
contiennent les gamètes mâles.
Le pollen contient les gamètes mâles, il est donc indispensable à la reproduction de la plante. La pollinisation étant le plus souvent croisée, le pollen doit être transporté par zoogamie ou par anémogamie. Le grain de pollen se dépose sur le stigmate, germe et projette un tube pollinique en direction de l'ovaire, et donc des ovules, dans lequel passent les gamètes mâles.
La « zoochorie » :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
permet d'assurer la survie de l'espèce et la colonisation de nouveaux milieux.
est le fruit d'une coévolution.
consiste en la dispersion des graines par le vent.
est toujours passive.
La zoochorie consiste en la dispersion des graines par les animaux. Elle peut être passive ou active. Elle permet d'assurer la survie de l'espèce et la colonisation de nouveaux milieux, et elle témoigne d'une coévolution de la plante et de l'animal disséminateur.