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Propriétés du xylème

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Lors d'un cours de biologie, on m'a dit que les vaisseaux du xylème étaient « étroits afin que la colonne d'eau ne se brise pas facilement et que l'action capillaire puisse être efficace ».
Ma question est pourquoi est-ce?
Le raisonnement est-il similaire à une artère dans le corps humain, où la propriété étroite peut augmenter la pression du sang et le forcer à sortir plus rapidement ?
Ou le raisonnement est-il différent ?

Merci.


Le travail principal de Xylem est de transporter l'eau, et donc les nutriments inorganiques dans l'eau. Maintenant, pour répondre à votre question, nous devons savoir comment l'eau est transportée.

L'eau est transportée en raison à la fois de la cohésion, de l'adhérence et de la tension superficielle. L'eau est connue pour former des liaisons hydrogène, et c'est ce qu'on appelle la cohésion. Lorsqu'il forme des liaisons hydrogène avec d'autres molécules, cela s'appelle l'adhésion. Dans le xylème, certaines molécules d'eau s'évaporent, mais tirent les molécules d'eau en dessous vers le haut. Les forces adhésives font également un travail similaire en poussant l'eau vers le haut.

Maintenant, si le xylème avait un diamètre plus petit, alors la surface à laquelle l'eau est exposée augmente. Cela signifie que les forces d'adhérence sont plus fortes. Par conséquent, l'eau est transportée sur une plus grande distance. Ceci est important pour les plantes très hautes.

Maintenant, pour répondre à votre deuxième partie, l'analogie avec les artères est tellement fausse. Cela n'a rien à voir avec la vitesse à laquelle les eaux montent, mais la hauteur à laquelle elle atteint. De plus, les vaisseaux sanguins humains dépendent de la pression et du pompage (le travail du cœur).


16.2A : Xylème

  • Contribution de John W. Kimball
  • Professeur (retraité) à Tufts University & Harvard

La plupart des plantes tirent l'eau et les minéraux dont elles ont besoin de leurs racines. Le chemin emprunté est :

[ exte ightarrow ext ightarrow ext ightarrow ext]

Les minéraux (par exemple, K + , Ca 2+ ) voyagent dissous dans l'eau (souvent accompagnés de diverses molécules organiques fournies par les cellules racinaires), mais moins de 1 % de l'eau atteignant les feuilles est utilisée pour la photosynthèse et la croissance des plantes. La majeure partie est perdue dans la transpiration, qui remplit deux fonctions utiles : elle fournit la force nécessaire pour soulever l'eau vers le haut des tiges et elle refroidit les feuilles. L'eau et les minéraux pénètrent dans la racine par des chemins séparés qui finissent par converger dans la stèle.


Biologie secondaire du xylème

Biologie secondaire du xylème : origines, fonctions et applications fournit aux lecteurs de nombreuses lentilles pour comprendre toute la portée et l'étendue du xylème secondaire. Le livre s'appuie sur une compréhension de base de la structure et du développement du xylème avant d'aborder d'autres questions importantes telles que la dégradation fongique et bactérienne et la conversion des biocarburants.

Les chapitres sont rédigés par des experts reconnus qui ont une connaissance approfondie de leurs domaines d'expertise spécifiques. Il s'agit d'une source d'informations unique contenant un contenu, des informations et des connaissances de haute qualité liés à la compréhension de la biologie des plantes ligneuses et de leurs applications.

Biologie secondaire du xylème : origines, fonctions et applications fournit aux lecteurs de nombreuses lentilles pour comprendre toute la portée et l'étendue du xylème secondaire. Le livre s'appuie sur une compréhension de base de la structure et du développement du xylème avant d'aborder d'autres questions importantes telles que la dégradation fongique et bactérienne et la conversion des biocarburants.

Les chapitres sont rédigés par des experts reconnus qui ont une connaissance approfondie de leurs domaines d'expertise spécifiques. Il s'agit d'une source d'informations unique contenant un contenu, des informations et des connaissances de haute qualité liés à la compréhension de la biologie des plantes ligneuses et de leurs applications.


Transport actif de minéraux dans les racines

L'absorption active d'ions minéraux dans les racines provoque l'absorption d'eau par osmose.

  • L'eau est absorbée dans les cellules racinaires par osmose car la concentration de soluté à l'intérieur des cellules racinaires est plus élevée que dans l'eau du sol
  • Les ions minéraux ne peuvent être absorbés par transport actif que s'ils entrent en contact avec la pompe à protéines appropriée
    • Par diffusion ou débit massique
    • Le champignon se développe dans le sol et absorbe les ions minéraux
    • Les ions sont fournis aux racines

    Contrôle de la transpiration

    L'atmosphère à laquelle la feuille est exposée entraîne la transpiration, mais provoque également une perte d'eau massive de la plante. Jusqu'à 90 pour cent de l'eau absorbée par les racines peut être perdue par transpiration.

    Les feuilles sont recouvertes d'une couche cireuse cuticule sur la surface extérieure qui empêche la perte d'eau. La régulation de la transpiration est donc réalisée principalement par l'ouverture et la fermeture des stomates à la surface de la feuille. Les stomates sont entourés de deux cellules spécialisées appelées cellules de garde, qui s'ouvrent et se ferment en réponse à des signaux environnementaux tels que l'intensité et la qualité de la lumière, l'état hydrique des feuilles et les concentrations de dioxyde de carbone. Les stomates doivent s'ouvrir pour permettre à l'air contenant du dioxyde de carbone et de l'oxygène de se diffuser dans la feuille pour la photosynthèse et la respiration. Lorsque les stomates sont ouverts, cependant, la vapeur d'eau est perdue dans l'environnement extérieur, ce qui augmente le taux de transpiration. Par conséquent, les plantes doivent maintenir un équilibre entre une photosynthèse efficace et la perte d'eau.

    Les plantes ont évolué au fil du temps pour s'adapter à leur environnement local et réduire la transpiration (voir la figure ci-dessous). Les plantes du désert (xérophytes) et les plantes qui poussent sur d'autres plantes (épiphytes) ont un accès limité à l'eau. Ces plantes ont généralement une cuticule cireuse beaucoup plus épaisse que celles qui poussent dans des environnements plus modérés et bien arrosés (mésophytes). Les plantes aquatiques (hydrophytes) ont également leur propre ensemble d'adaptations foliaires anatomiques et morphologiques.

    Les plantes sont adaptées à leur environnement local. (a) Xérophytes, comme ce figuier de Barbarie (Opuntia sp.) et (b) des épiphytes comme ce tropical Aeschynanthus perrottetii se sont adaptés à des ressources en eau très limitées. Les feuilles d'un figuier de Barbarie sont modifiées en épines, ce qui abaisse le rapport surface/volume et réduit la perte d'eau. La photosynthèse a lieu dans la tige, qui stocke également l'eau. (b) A. perottetii les feuilles ont une cuticule cireuse qui empêche la perte d'eau. (c) Verge d'or (Solidago sp.) est un mésophyte, bien adapté aux environnements modérés. (d) Hydrophytes, comme ce nénuphar parfumé (Nymphée odorante), sont adaptés pour prospérer dans les milieux aquatiques. (crédit a : modification du travail par Jon Sullivan crédit b : modification du travail par L. Shyamal/Wikimedia Commons crédit c : modification du travail par Huw Williams crédit d : modification du travail par Jason Hollinger)

    Les xérophytes et les épiphytes ont souvent une épaisse couche de trichomes ou de stomates enfoncés sous la surface de la feuille. Les trichomes sont des cellules épidermiques spécialisées ressemblant à des cheveux qui sécrètent des huiles et des substances. Ces adaptations entravent la circulation de l'air à travers le pore stomatique et réduisent la transpiration. Plusieurs couches épidermiques sont également couramment trouvées dans ces types de plantes.


    Transport dans le xylème - planification 9.1

    Fiche de planification pour l'introduction aux cellules

    Compréhension(s)

    • Les feuilles sont adaptées pour absorber le dioxyde de carbone de l'air, donc la transpiration peut également se produire dans les feuilles et l'eau est perdue dans l'air.
    • La structure des vaisseaux primaires du xylème.
    • Les vaisseaux Xylem transportent l'eau des racines aux feuilles pour remplacer l'eau perdue lors de la transpiration.

    Question(s) essentielle(s)

    • En quoi une feuille ressemble-t-elle à des poumons humains ?
    • Pourquoi la cohésion et l'adhésion des molécules d'eau sont-elles importantes pour le transport de l'eau dans les tubes ?
    • Quels facteurs peuvent accélérer l'osmose?
    • Quel est le rôle du transport actif dans l'osmose des racines ?
    • Imaginez cinq modifications qu'une plante pourrait apporter à ses racines, ses feuilles et ses tiges qui l'aideraient à vivre dans un endroit sec (ou salé).

    TOK / Nature de la science / IM

    • Les différents mécanismes de transpiration peuvent être étudiés à l'extérieur des plantes à l'aide de modèles, par exemple des potomètres en pot poreux, des tubes capillaires et du papier buvard.

    Les compétences que les élèves auront

    • Capacité à dessiner la structure des vaisseaux primaires du xylème dans des tiges à partir de lames de microscope.
    • Reconnaissance de la structure et de la fonction du xylème. (idée essentielle)
    • Utiliser des potomètres pour mesurer les taux de transpiration

    Expérience de transpiration à l'aide de potomètres

    • Concevoir une expérience pour tester des hypothèses sur les effets des facteurs abiotiques sur les taux de transpiration.

    Expérience de planification - facteurs abiotiques et transpiration

    La structure des feuilles et le dilemme de la cellule de garde.

    Une courte introduction vidéo sur les rôles des cellules dans une feuille suivie d'une simple prise de note sur la structure et la fonction de la feuille. La fonction des stomates est liée à l'absorption du dioxyde de carbone et également au problème de la perte d'eau. Enfin, quelques questions simples testent les connaissances à la fin.

    Structure de la plante - introduction

    Durée : 1h Cette leçon commence par un examen pratique à l'intérieur des racines et des tiges des plantes pour voir que les cellules ne sont pas toutes les mêmes et qu'il existe des cellules spécialisées qui aident la plante à transporter l'eau et les sucres. Sans parler du soutien à la plante. Une courte tâche de recherche est conçue pour aider les élèves à trouver les détails clés sur le xylème et le phloème qui seront nécessaires dans les leçons suivantes. Enfin, quelques questions simples testent le rappel factuel.

    Transports à Xylem

    Durée : 1h Cette leçon fait suite à la leçon sur les tissus vasculaires et explore les détails de la façon dont l'eau se déplace à travers les plantes et comment la plante est adaptée pour faciliter ce flux de transpiration. Le mouvement des ions minéraux et le rôle des champignons mutualistes sont également inclus. Le rôle de l'eau et du tissu vasculaire dans le soutien des plantes comprend la présence de cellulose épaissie, de turgescence cellulaire et de xylème lignifié. Le rôle du phloème dans la translocation des sucres en fait une bonne activité de comparaison.

    Transpiration et xérophytes

    Expériences sur la transpiration

    Durée : 1h L'utilisation de potomètres est un bon moyen d'explorer la relation entre les facteurs abiotiques et les taux de transpiration. Cette expérience pourrait être adaptée et utilisée comme enquête. Tout dépend de l'équipement disponible et il y a quelques suggestions pour des versions simples de ces expériences dans ce laboratoire.

    Planification du développement des compétences

    Il s'agit d'une activité pour aider les élèves à identifier DV et IV puis à déterminer les facteurs qui doivent être contrôlés. Ensuite, planifier leur analyse des données, et cela en déduire le nombre de données à collecter dans l'expérience.


    Xylème

    Le xylème est responsable de garder une plante hydratée. La sève du Xylem se déplace vers le haut et doit surmonter de graves forces gravitationnelles pour fournir de l'eau aux extrémités supérieures d'une plante, en particulier dans les grands arbres.

    Deux types différents de cellules sont connus pour former le xylème dans différents groupes de plantes : les trachéides et les éléments vasculaires. Les trachéides se trouvent dans la plupart des gymnospermes, des fougères et des lycophytes, tandis que les éléments vasculaires forment le xylème de presque tous les angiospermes.

    Les cellules du xylème sont mortes, allongées et creuses. Ils ont des parois cellulaires secondaires et des « fosses » (zones où la paroi cellulaire secondaire est manquante).

    Trachéides

    Les trachéides sont de longues cellules minces qui sont reliées entre elles par des extrémités effilées. Les extrémités effilées se côtoient et ont des fosses qui permettent à l'eau de se déplacer d'une cellule à l'autre.

    Leurs parois cellulaires secondaires contiennent de la lignine – le composé qui crée le bois. La lignine dans les trachéides ajoute un support structurel au xylème et à la plante entière.

    Éléments du navire

    Les éléments des vaisseaux sont plus courts et plus larges que les trachéides et sont connectés ensemble bout à bout. Les extrémités des alvéoles contiennent ce que l'on appelle des « plaques perforées ». Les plaques de perforation ont un certain nombre de trous dans leurs parois cellulaires qui permettent à l'eau de circuler librement entre les cellules.


    Perspectives sur la biophysique du transport Xylem

    William F. Pickard , Peter J. Melcher , dans Vascular Transport in Plants , 2005

    Facteurs affectant la conductance hydraulique

    Pour que la sève du xylème traverse la plante, le gradient de pression hydrostatique négatif doit être suffisamment important pour surmonter la force «résistive» de la viscosité de la sève et la force de gravité. Étant donné que le débit de sève du xylème à travers les plantes est relativement lent, le modèle d'écoulement laminaire à l'intérieur d'un récipient individuel se compose de couches de sève qui s'écoulent les unes sur les autres à la manière d'une feuille, de sorte qu'il ne se produit ni tourbillons ni tourbillons et qu'il n'y a pas de turbulence. * Cependant, aussi bien en écoulement laminaire qu'en écoulement turbulent, la viscosité entraîne un frottement interne, qui produit une dissipation d'énergie. Si à la fois la viscosité et la vorticité du fluide sont différentes de zéro, alors une dissipation visqueuse se produit. Pour un écoulement laminaire en apesanteur à travers un tuyau cylindrique, le débit est donné par la relation de Hagen-Poiseuille :

    où Jv [m 3 •s −1 ] est le débit volumétrique, V [m 3 ] est le volume, t [s] est le temps, ΔP [Pa] est la différence de pression entre l'amont et l'aval de la conduite r [ m] est le rayon du tuyau et [Pa•s] est la viscosité dynamique de la solution dans le tuyau et je [m] est la longueur du tuyau. De petits changements dans le rayon d'un tuyau peuvent grandement affecter le débit à travers le tuyau, une augmentation de 19% étant suffisante pour doubler le débit. L'évaporation à la surface des ménisques des feuilles fournit à la fois l'énergie potentielle gravitationnelle stockée dans la sève élevée et l'énergie perdue par dissipation visqueuse.

    L'équation de Hagen-Poiseuille fonctionne bien pour les systèmes idéalisés. Par exemple, des mesures récentes effectuées à l'aide de navires individuels dans de courtes sections de Fraxinus américain les tiges étaient en accord avec les prédictions de Hagen-Poiseuille ( Zwieniecki et al., 2001a). Néanmoins, l'équation de Hagen-Poiseuille est peu susceptible de tenir sans prendre en compte certaines des déviations anatomiques du xylème par rapport aux tubes idéalisés : (1) les rayons du xylème sont rarement constants pour la longueur d'un conduit, (2) la sève doit traverser des jonctions de fosse bordées qui sont séparées par des membranes fibreuses, (3) les distances entre ces membranes de fosse bordées varient considérablement ( Zimmermann, 1983 ), (4) des vêtements et des verrues (protubérances dans le xylème et dans les canaux de fosse bordés) se produisent, (5) la concentration et la température de la sève peuvent changer le long du trajet d'écoulement et les changements de la force ionique de la sève du xylème modifient les débits ( Zimmermann, 1978 van Ieperen et al., 2000 ), soulevant ainsi la possibilité d'un rôle régulateur pour les cellules non vivantes dans le xylème ( Zwieniecki et al., 2001b) et (6) des simulations de dynamique moléculaire montrent que des schémas d'écoulement inattendus peuvent, à l'échelle nanométrique, se produire à proximité d'irrégularités aux limites ( Fan et al., 2002). Notre conclusion est que l'hydrodynamique macroscopique simplifiée, astucieusement appliquée, permet des estimations qualitatives utiles du comportement et que les variations anatomiques réelles au sein du xylème empêchent pratiquement des prédictions quantitatives exactes.


    Commentaire sur Coome et al. �helle des vaisseaux et des veines du xylème dans les feuilles des espèces de chêne’

    vient et al. (2008) prétendent tester les prédictions du modèle de mise à l'échelle des plantes de West et al. (1999) en examinant l'échelle des dimensions du xylème chez 10 espèces de chênes (Quercus spp.). Alors que nous saluons leurs efforts pour recueillir des données indispensables sur la mise à l'échelle des dimensions du xylème dans les feuilles, leur représentation du modèle West, Brown et Enquist (WBE) est basée sur des hypothèses incorrectes, et leur application du modèle WBE aux feuilles nécessite une correction importante. .

    Tout d'abord, la dérivation du modèle original de West et al. (1999) n'a jamais été destiné à être appliqué aux feuilles. Les feuilles dans le modèle, et plus précisément, les dimensions des faisceaux de xylème dans le pétiole sont supposées être statistiquement invariantes avec les changements de taille de la plante. Cela ne signifie pas qu'il n'existe pas de variabilité des dimensions du xylème entre les pétioles de différentes espèces, voire au sein des feuilles d'une même plante, mais plutôt que cette variabilité ne change pas systématiquement en fonction de la taille entre les espèces végétales. Par exemple, pour justifier leur étude, Coomes et al. (2008) déclarent que ‘Pour plus de commodité (le modèle WBE a) considéré les pétioles comme la fin du système de transport. Cependant, la feuille représente 30% de la résistance de la plante. Ainsi, un examen plus approfondi de la desquamation dans les feuilles est important pour les prédictions au niveau de la plante. Les prédictions de WBE ne dépendent pas de l'ampleur de la résistance hydraulique dans les feuilles ni de la variabilité des traits du xylème en soi, mais exigent seulement que les traits vasculaires, physiologiques et hydrauliques ne s'adaptent pas systématiquement à la taille de la plante. Nous ne connaissons pas de données montrant un changement systématique des dimensions du xylème du pétiole ou des propriétés hydrauliques chez les espèces qui diffèrent par la taille des adultes. En effet, à l'appui de cette hypothèse clé du modèle WBE, Coomes et ses collègues déclarent que les propriétés du xylème des feuilles n'étaient pas corrélées avec la taille moyenne de l'arbre adulte.

    Deuxièmement, Coome et al. (2008) affirment que les « modèles généraux de l'architecture vasculaire des plantes » ont négligé de considérer la feuille » Ce n'est pas correct. La mise à l'échelle des dimensions vasculaires des feuilles a déjà été spécifiquement abordée par Price & Enquist (2007). Cela a été fait parce que plusieurs hypothèses du modèle original sont clairement violées dans les feuilles. En particulier, les feuilles ne remplissent pas le volume et ne sont généralement pas des arbres hiérarchiques, elles sont plutôt réticulées, formant des boucles, les feuilles ne sont généralement composées que de quelques générations ramifiées et le xylème des feuilles est connu pour être « fuyant » . Ces questions et d'autres ont été abordées dans une extension du modèle WBE (Price & Enquist 2007) que les auteurs n'ont pas citée dans laquelle nous déclarons, ‘…qu'aucun exposant unique ‘universel’ ne décrira mise à l'échelle des relations sur toutes les feuilles&# x02019. Étant donné que les feuilles perdent du volume de liquide à cause de la transpiration, en particulier dans les veines d'ordre supérieur, une règle universelle stricte d'effilage ne devrait pas s'appliquer.

    Troisièmement, Coome et al. (2008) ont mal interprété les prédictions de diminution des vaisseaux du xylème du modèle WBE. Ils déclarent qu'il "prédit que la dépendance à la longueur de la résistance hydraulique est pratiquement supprimée des systèmes de tiges ramifiées lorsque h 1/6 …’ Le modèle WBE prédit que la résistance hydraulique est indépendante de la longueur du trajet si l'exposant d'échelle est plus grand que ou approximativement égal à 1/6. Il s'agit d'une distinction subtile mais extrêmement importante, car le modèle WBE prédit que la diminution du xylème sera optimale si l'exposant d'échelle pour la relation entre h et est supérieur à 1/6. En effet, les exposants d'échelle rapportés par Coomes et ses collègues sont supérieurs à 1/6, ce qui indique que la résistance hydraulique est indépendante de la longueur du trajet comme prédit par le modèle WBE.

    Quatrième, Coomes et al. (2008) citent à juste titre West et al. (1999) pour la dérivation de l'exposant effilé, cependant, ils omettent de signaler qu'il incluait également la case 2 de West et al., comme une mise en garde concernant l'application de l'exposant décroissant aux réseaux avec peu de générations de branchement. Plus précisément, lorsque N est petit, comme c'est le cas pour les feuilles (la plupart des feuilles ont environ trois à cinq générations de ramifications), ‘…la correction peut être importante’. En fait, en prenant N=3 et m=2, valeurs communes pour les rendements en feuilles α= 0,41, conforme à l'extrémité inférieure de la plage de valeurs rapportée par Coomes et ses collègues. Nous rapportons cette valeur, non pas pour valider l'utilisation de la règle d'effilement dans les feuilles, mais simplement pour illustrer que les petits réseaux, comme ceux trouvés dans les feuilles, étaient prédits comme ayant des écarts d'effilement significatifs. Cependant, les violations susmentionnées des modèles et d'autres hypothèses rendent cette demande infondée.

    De toute évidence, les feuilles seront importantes pour comprendre la nature de l'hydraulique des plantes et de la mise à l'échelle physiologique au sein des plantes. Les découvertes empiriques de Coomes et al. (2008) sont importants pour approfondir notre compréhension des dimensions du xylème dans les feuilles. Cependant, tester un modèle au-delà de sa portée prévue est essentiellement un homme de paille. Une compréhension complète de l'hydrodynamique des plantes nécessitera probablement à la fois des modèles théoriques qui incorporent plus de variabilité biologique et des données empiriques et des tests dans l'échelle d'inférence appropriée.


    Comment les éléments du vaisseau conduisent-ils l'eau ?

    Les plantes n'ont pas de système circulatoire comme les humains pour déplacer l'eau ou les minéraux du sol vers le haut de la plante jusqu'aux feuilles. Comment ce mouvement ascendant de l'eau est-il régulé ? Que l'eau soit tirée ou poussée est une question de longue date. De nombreux chercheurs suggèrent que l'eau n'est pas poussée, mais tirée à travers la plante. En effet, la pression racinaire hydrostatique positive développée par les racines dans leur xylème est très faible (inférieure à 0,1 MPa) et disparaît lorsque le taux de transpiration est élevé. Ainsi, il n'est pas possible de pousser de l'eau dans un grand arbre.

    L'eau est tirée par les vaisseaux du xylème et la force motrice est la transpiration des feuilles. Il développe une pression hydrostatique négative dans le xylème des feuilles, qui tire l'eau vers le haut. La poussée ascendante de l'eau s'explique par la théorie de la cohésion-tension, également connue sous le nom de théorie de la traction par transpiration. Il décrit les propriétés physiques de l'eau qui sont nécessaires pour la déplacer vers le haut. Certaines des propriétés physiques comprennent

    La cohésion, qui fait référence aux molécules d'eau attirées les unes vers les autres.

    Adhérence – l'attraction entre l'eau et les parois hydrophiles des éléments vasculaires.

    Tension superficielle - l'attraction accrue des molécules d'eau en phase liquide par rapport à la phase gazeuse.

    Ces propriétés confèrent une haute résistance à la traction et une haute capillarité à l'eau, ce qui facilite l'ascension de l'eau du sol. En raison de cette traction vers le haut, l'eau dans le xylème reste dans un état de tension qui provoque une cavitation dans le xylème. La cavitation est la production d'une bulle de gaz dans l'eau. Cela peut bloquer le mouvement ascendant de l'eau, entraînant une grave carence en eau dans les feuilles. Cependant, cette condition reste minimisée en raison des parois d'extrémité des vaisseaux et des pores qui empêchent la propagation des bulles de tube en tube.


    Voir la vidéo: La photosynthèse (Juillet 2022).


Commentaires:

  1. Shagal

    Désolé, j'ai supprimé ce message.

  2. Lon

    Tout dans cet article est correct. Beau blog, ajouté aux favoris.

  3. Dorn

    ton idée me sera utile



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