Le gel et les plantes.

 Jeudi 5 Janvier 2023

Il faut d’abord distinguer deux catégories de gelées : les gelées de rayonnement ou gelées blanches et les gelées provoquées par une vague d’air froid ou gelées noires. Les premières sévissent généralement à la fin de l’automne et au printemps, les secondes sont des gelées d’hiver mais elles peuvent être tardives et dévastatrices au printemps.

La surface de la terre et les objets qui s’y trouvent perdent une partie de la chaleur qu’ils reçoivent du rayonnement solaire visible (lumière)  en émettant vers l’atmosphère des rayonnements invisibles (infrarouges); ils se refroidissent ainsi. La nuit, ne recevant plus le rayonnement solaire leur température va baisser. Cette baisse est ralentie par les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère qui piègent les rayons infrarouges émis. La vapeur d’eau est le plus efficace de ces gaz. Un ciel nuageux qui associe de l’eau à l’état gazeux (vapeur d’eau) et à l’état condensé (nuage) ralentit fortement le refroidissement du sol et des plantes, au contraire par temps clair en l’absence de nuages, le rayonnement infrarouge n’est plus retenu, le sol et les plantes se refroidissent, leur température superficielle va baisser jusqu’au point zéro. La vapeur d’eau qui subsistait dans l’air va ainsi se condenser donnant de la rosée et puis de la glace. Le sol, les plantes, les toits blanchissent c’est la gelée blanche.

Le processus de survenue d’une gelée noire n’est pas le même, il s’agit d’une masse d’air très froid provenant des pôles qui se déplace vers nos régions plus chaudes. La perte  de chaleur du sol et des plantes se fait vers la masse d’air froid qui s’écoule, elle est plus longue et leur température va baisser beaucoup plus bas.

Lors d’une gelée blanche les températures les plus basses sont situées  entre 0 et 80 cm au-dessus de la surface du sol, elles peuvent y atteindre -2 à -3°C. Plus haut les températures remontent et deviennent positives à 2 ou 3m au-dessus du sol. Il y a, de fait, une stratification de couches d’air froid en l’absence de vent. Ce n’est pas le cas pour une gelée noire, la masse d’air froid qui descend des pôles est homogène, la température y est généralement inférieure à -4°C et peut atteindre exceptionnellement -20°C. Les dégâts sur les plantes sont évidemment très différents d’un cas à l’autre.

Voyons d’abord comment agit le gel chez les végétaux. Les cristaux de glace apparaissent d’abord à la surface des organes de la plante dans l’eau de condensation ;  la glace va progresser ensuite vers l’intérieur dans les espaces intercellulaires des tissus et en dernier lieu cristalliser l’eau des cellules provoquant à la fois leur déshydratation et la rupture des structures. Les dégâts sont d’autant plus importants que l’organe concerné est riche en eau.  Notons ici que les écailles n’empêchent pas la température de baisser à l’intérieur des bourgeons, elles s’opposent à l’ensemencement, par la glace externe, de l’eau des organes internes (ébauche de bourgeons ou de fleurs). Le barrage des écailles maintient à l’état liquide l’eau tissulaire bien que les  températures y soit au-dessous de 0°C, c’est une surfusion.

Les gelées blanches, fréquentes en avril mai, n’affectent ni les plantes herbacées ni les plantes ligneuses de nos climats, elles sont adaptées, à cette période de l’année, à des   températures  de l’ordre de -2 à -3°C au niveau du sol. Seules les fleurs ou les jeunes bourgeons éclos de nos arbres fruitiers peuvent être détruits réduisant ainsi les récoltes. Les gelées noires sont beaucoup  plus graves. Si elles surviennent au printemps (avril, mai)  les bourgeons et les fleurs sont détruits dès que la température baisse en deçà de -4°C. En hiver les plantes herbacées ont leur partie aérienne « brulée » (les pelouses de montagne sont sèches), elles ne se reconstitueront qu’au printemps à partir d’ébauches de pousses qui apparaissent au niveau des racines que le sol a protégées du gel. Les plantes ligneuses (arbres et arbustes) adaptées à nos climats  peuvent résister à des températures de l’ordre de -15°C. Plus bas, les rameaux de l’année sont détruits, les écorces éclatent par grossissement des cristaux de glace, le bois se déshydrate et se dessèche ensuite. L’hiver glacial de 1956 (les températures y ont atteint selon les lieux -20°C) à détruit de nombreux arbres fruitiers, des pieds de vigne et probablement, en l’absence d’observations car sans intérêt économique, de nombreux arbres et arbustes sauvages.

On peut lutter contre les gelées blanches par un brassage de l’air qui mélange les couches froides près du sol avec les couches plus chaudes situées au-dessus de 2 mètres. On utilise à cet effet des ventilateurs de grande taille et même des hélicoptères dont les pales en mouvement vont mélanger les couches d’air. Le traitement des gelées noires est plus coûteux : chauffage de l’air, aspersion d’eau sur les plantes (l’eau qui se prend en glace sur la plante libère de la chaleur par baisse de sa température et par changement d’état), mise sous abris.               

La domestication de l'âne.

Lundi 5 Décembre 2022


L’âne (Equus asinus) animal domestique de trait et de portage a rendu d’éminents services dans nos pays avant l’invention des machines et continue à être utilisé dans les régions semi arides grâce à ses qualités d’endurance et de rusticité. S’il est devenu pour nous un animal de loisirs, son histoire nous intéresse parce qu’elle éclaire notre marche vers un accroissement de nos disponibilités énergétiques et une substitution de nos efforts par ceux d’une espèce animale.

Quand et où s’est faite la domestication de l’âne ? Un groupe de chercheur*, dans lequel figurent en bonne place des chercheurs français, s’est attaché à répondre à ces deux questions en utilisant des données archéologiques et des données génomiques par séquençage de l’ADN obtenu à partir de sources asiniennes diverses : 207 ânes modernes originaires de pays où cette espèce a été longtemps utilisée ; 31 ânes anciens provenant de restes trouvés dans des sites archéologiques (dans ce cas l’ADN partiellement dégradé doit faire l’objet d’une reconstitution) ; 17 onagres ou ânes sauvages d’origine africaine (Equus africanus) ou asiatique (Equus hemionus)

Les données archéologiques font état de présence d’ossements d’ânes dans des fouilles réalisées en Egypte à El Omari (4800 à 4500 AJC) et Maadi (4000 et 3800AJC) qui peuvent être interprétées comme appartenant à des animaux domestiqués. Des sculptures où sont représentés des ânes ont aussi été trouvées à Abydos en Libye. Ces éléments et d’autres, seraient en faveur d’une domestication de l’âne par des populations pastorales dans la zone qui s’étendrait de la Libye à la mer rouge aux environs de 5500 à 4500 ans AJC. Toutefois d’autres régions pourraient être à l’origine de la domestication de l’âne : le Yémen et la Mésopotamie.

Pour trancher le débat, les auteurs de l’article ont séquencé les génomes de 49 ânes modernes issus de régions sous représentées auxquels ils ont ajouté à 158 génomes déjà publiés pour créer une carte génomique des recombinaisons de l’espèce au niveau mondial. L’analyse en composantes principales de ces données montre un partage net entre les ânes d’Afrique et les ânes non africains. A l’intérieur du groupe africain existent deux sous classes : les ânes est africains (Ethiopie et Somalie) et les ânes ouest africains (Ghana Mauritanie et Nigeria). Les ânes non africains se divisent aussi en deux groupes les ânes européens et les ânes asiatiques.

A partir de l’analyse génomique réalisée sur ces ânes modernes, les auteurs concluent que les ânes de la corne d’Afrique représentent les descendants des premiers ânes domestiqués ; ils se seraient ensuite dispersés vers la péninsule arabique et l’Eurasie et sont revenus en Lybie et au Maghreb. Par ailleurs le séquençage d’anciens génomes, prélevés sur des ossements de 31 ânes exhumés de 11  sites archéologiques allant du Portugal à l’Asie Centrale, a montré une rapide dispersion de l’espèce domestiquée vers l’Asie alors qu’en direction de l’Europe, en dépit du fait que certains génomes présentent bien une proximité avec ceux de l’Afrique de l’ouest, de nombreux échanges sont intervenus au cours de la préhistoire et du moyen âge qui ont affecté plus fortement la source Afrique de l’Ouest.

Cette étude a permis de voir aussi que la domestication de l’âne n’a pas produit des niveaux de consanguinité plus élevés chez les ânes modernes que chez les anciens, ce qui n’est pas le cas chez le cheval. Enfin l’étude plus complète de restes asiniens trouvés  sur un site Romain (Boinville-en- Woëvre) affecté semble-t-il à l’élevage de reproducteurs, a montré que l’on y maintenait une lignée d’ânes de grande taille destinée à la production de mulets très utilisés par les armées romaines.

 

*Evelyn T. Todd et al. Science 9 septembre 2022, N°6611, pp.1172-1180  

Quelle surface de notre planète faudrait-il préserver pour un maintien satisfaisant de la biodiversité ?

Samedi 5 Novembre 2022


Nous avons déjà parlé de ce sujet et signalé les préconisations de la convention sur la diversité biologique d’Aichi au Japon (2010) qui estimait qu’il fallait que l’on réserve 17% de la surface de la planète (soit 25  millions de km2, surface de la terre 147 millions de km2 ) si l’on voulait maintenir cette biodiversité. Un article de la revue Science* revient sur ce sujet et donne des informations nouvelles plus précises.

Le choix d’une aire à conserver nécessite de définir des critères qui aiderons à rendre ce choix le plus pertinent possible. Plusieurs approches ont été proposées : retenir les aires en pondérant les espèces et écosystème qu’elles contiennent selon  leur endémicité et leur risque d’extinction ; retenir des aires sur la persistance globale de biodiversité  (aires clés), dans ce cas on s’attachera à la présence d’espèces ou d’écosystèmes menacés, ou de systèmes écologiques intacts rares ; retenir les aires encore intactes avant qu’elles ne soient dégradées. Selon les auteurs de l’étude ces critères utilisés séparément présentent des lacunes qui ne permettront pas un choix optimal des aires à conserver, leur projet est de les combiner dans un nouveau cadre global. Par ailleurs leur objectif n’est pas de désigner des « aires à conserver » car il existe, pour chaque aire, différentes stratégie de conservation des espèces et écosystèmes ; ils utilisent plutôt l’expression aires nécessitant une « attention à conserver ».

Les auteurs considèrent que 64,7millions de km2 (44% de la surface de la terre) nécessitent  une attention à conserver ; c’est bien au-delà des 17% de la convention d’Aichi. Cette surface englobe 35,1 millions de km2 d’aires écologiquement intactes, 20,5 millions de km2 d’aires protégées déjà existantes, 11,6 millions de km2 d’aires clés de biodiversité et 12,4 millions de km2 d’aires additionnelles nécessaires pour garantir la persistance d’espèces sur leur diversité minimale (notons que la somme de ces surfaces : 79,6 millions de km2, dépasse le chiffre proposé : 64,7 millions de km2, cela tient au fait que les aires qui ont été classées dans chaque catégorie se chevauchent partiellement).

Si 70,1% des zones qui nécessitant une attention à conserver sont actuellement intactes, les 29,9 % restantes ont des besoins de restauration, par ailleurs 2,2 millions de km2 situés dans les zones intactes sont susceptibles d’être converties d’ici 2050 en zones d’habitation ou d’intense activité humaine. Ces conversions sont variables d’un continent à l’autre et d’un pays à l’autre. Le continent africain serait le plus affecté (1,4 millions de km2). Les risques de conversion sont moindres en Océanie et en Amérique du Nord.

Un autre problème tient à la présence de populations humaines vivant déjà sur les zones intactes. Un quart des êtres humains (1,87 milliards d’individus) sont concernés, essentiellement en Afrique, Asie et Amérique centrale. La plupart de ces populations ont une économie émergente ce qui implique que les stratégies de conservation n’entravent pas leur développement économique. On ne peut plus protéger ces terres en déplaçant les populations indigènes, ce serait injuste et même impossible. Il faut reconnaître que ces populations ont montré, dans leurs pratiques coutumières, une autorité indiscutable pour la protection de la biodiversité, et qu’elles  doivent pouvoir se maintenir  sur leur terre et en garder la possession.

Sur les zones qui méritent "attention de protection", les créations de routes, le développement de l’agriculture, de l’activité forestière, ou de l’extraction de minerais doivent se faire précautionneusement en tenant compte des espèces qui y vivent et de la menace qui pèsent sur leur disparition. La pression humaine va s’accroître avec l’augmentation de la population et de la consommation, il faudra donc apprendre localement l’importance de la sauvegarde de la diversité biologique.

Une évaluation à haute résolution, à l’échelle spatiale fine à partir de cartes de végétations et d’écosystèmes devrait être l’étape logique suivante pour délimiter ces zones.

Que penser de tout cela ? Ce qui surprend d’abord c’est l’importance de la surface en « attention à conserver » : 44% de la surface de la planète (64,7 millions de km2) ! Certes une grande partie de ces terres sont situées dans des zones encore intactes (35,1 millions de km2) mais il faut caser les 29,6 millions de km2 restants. En ce qui nous concerne, si l’on s’en tient aux propositions de cette publication, nous sommes encore bien au-dessous des surfaces qu’il faudra protéger. Comment affecter de nouvelles terres à la sauvegarde de la biodiversité sans réduire l’activité économique, ceci ne peut se faire qu’au détriment de la population humaine qui est toujours en croissance ? Il faudra consommer moins (pas uniquement pour se nourrir), et il y aura moins de travail. Ce sera donc un appauvrissement général. On peut atténuer ces perspectives négatives par une éducation à la protection du milieu naturel, par des projets d’artificialisation plus raisonnables qui tiennent compte du monde vivant qui nous entoure.

* James R. Allan et al. Science 3 juin 2022, N°6597, pp. 1094-1106.

 

L'eau dans le sol

 

Mercredi 5 Octobre 2022

Lorsque vous arrosez une plante en pot, vous observez que le sol ne retient pas toute l’eau que vous lui donnez puisque une certaine quantité va se retrouver dans l’assiette que vous mainteniez à la base du pot ; cette eau qui s’écoule est l’eau gravitationnelle, elle ne sera pas utile à la plante. L’eau utile à la plante est retenue par le sol. C’est une eau qui adhère par capillarité aux particules du sol ou qui est accrochée par cohésion à l’eau de capillarité. La quantité d’eau totale qui reste dans le sol représente la capacité de rétention du sol. Cette capacité dépend de la taille des éléments qui constituent le sol. Un sol dont la taille des particules est majoritairement petite (sol argileux ou limoneux) a une texture à surface relativement grande et donc retient une grande quantité d’eau mais l’eau de cohésion, faiblement retenue, y est peu importante. Un sol dont la taille des particules est majoritairement grande  (sol sableux) a une texture  à surface relativement petite et de grands interstices, elle retient une quantité d’eau moindre mais l’eau de cohésion, faiblement retenue, y est en plus grande quantité.

Les racines des plantes récupèrent l’eau du sol par osmose. Tant que la pression osmotique à l’intérieur des cellules des racines est supérieure à celle de l’eau interstitielle du sol, la plante absorbe de l’eau ; mais à mesure que l’eau de cohésion disparait, il va être de plus en plus difficile d’accéder à l’eau de capillarité. Il vient donc le moment où, bien qu’il reste encore de l’eau dans le sol, la plante ne peut plus l’utiliser, c’est le point de flétrissement. Ce point de flétrissement dépend de la structure physique des sols, les sols sableux à grosses particules donc à petite surface contiennent beaucoup  d’eau de cohésion et retiennent peu d’eau au point de flétrissement ; les sols argilo limoneux à petite particules et donc à grande surface contiennent peu d’eau de cohésion et gardent beaucoup d’eau au point de flétrissement. Le point de flétrissement dépend aussi des plantes qui peuvent ajuster leur pression osmotique racinaire ; une plante grasse par exemple est adaptée à des zones désertiques où la teneur en eau des sols peut devenir très faible. En définitive un sol dont les éléments fins coexistent avec des éléments grossiers est le plus apte, dans la durée, à fournir à la plante une quantité d’eau régulière. On appelle ces sols des terres franches.

L’eau du sol fournit à la plante les éléments qu’elle a dissous et qui proviennent essentiellement de la roche mère environnante. Certains sont indispensables à la plante car ils entrent en quantités notables dans sa constitution. Ces nutriments sont l’azote, le phosphore, le soufre, le potassium, le calcium, le magnésium et le fer. Ils sont absorbés sous forme d’ions (NO3- et NH4+ pour l’azote, PO43- pour le phosphore etc.). D’autres interviennent dans l’alimentation des plantes en quantités infimes : le bore, le cuivre, le zinc et le molybdène et le sélénium, ce sont des éléments traces. Enfin certains peuvent être toxiques comme le sodium, le chlore, l’aluminium. En culture hydroponique, de plus en plus utilisée en horticulture, on se contente de dissoudre dans l’eau d’irrigation les nutriments et les éléments traces nécessaires à la plante, ce sont les engrais dont nous avons si peur.

Devenir des espèces marines sous l'effet du réchauffement climatique.

 

Vendredi 5 Août 2022

Les effets du réchauffement climatique ne sont pas perçus encore comme la cause de la disparition d’espèces à la surface de la terre, c’est l’action humaine directe qui est à l’origine de ces disparitions. On peut se demander toutefois ce qu’il pourrait advenir si la température continuait de croître, du fait des émissions de gaz à effet de serre, dans les milieux océaniques où la température régule notamment la teneur en oxygène de l’eau. Des chercheurs* ont analysé cette situation et modélisé ce qui pourrait advenir des espèces vivant dans les océans dans le cas où la température des eaux s’y élèverait au-delà des limites actuelles.

La teneur en oxygène de l’eau décroit avec l’augmentation des températures (il existe d’ailleurs des tables qui donnent cette teneur maximale en fonction de sa température). Chaque espèce vivant dans l’eau a des besoins en oxygène particuliers ; ainsi la truite affectionne les eaux fortement oxygénées de montagne où l’eau est froide et agitée par un courant sinueux coupé de cascades. Elle ne survit pas dans l’eau stagnante peu aérée. La teneur en oxygène des eaux océaniques détermine ainsi la répartition des espèces marines, si d’autres facteurs jouent évidemment comme le pH ou la disponibilité alimentaire, ils ne sont pas décisifs. C’est pourquoi on peut établir des modèles d’évolution des populations marines en tenant compte seulement de la variation des températures de l’eau qui découle de la température aérienne.

Un modèle a été établi, calibré sur les conditions thermiques qui ont sévi au cours de  l’extinction de masse de la fin du Permien. Il retrace les tendances multi centenaires du réchauffement global et  l’évolution future de celui-ci en fonction d’émissions anthropogéniques hautes ou basses de gaz à effets de serre sur les 300 prochaines années. La diversité marine globale est représentée par une série simulée (types éco physiologiques) de 104 espèces marines définies par leur tolérance thermique et leur résistance à l’hypoxie. L’habitabilité d’une zone océanique exige que les conditions s’y maintiennent à l’intérieur des tolérances physiologiques des espèces qui y vivent. Ainsi l’augmentation de la température de l’eau va provoquer une diminution de sa teneur en oxygène qui, en-deçà d’un certain seuil, provoque l’éradication de l’espèce.

On peut distinguer, selon l’intensité du réchauffement climatique, des extinctions locales ou comme à la fin du permien des extinctions globales. Si les émissions de gaz à effet de serre entraînent à la fin du siècle un réchauffement climatique de l’ordre de 1,9°C les pertes resteront dans les limites actuelles. Si le réchauffement de l’air voisinait 5°C, les pertes seraient très élevées localement ; en effet des habitats océaniques froids des pôles disparaîtraient pour les espèces adaptées au froid ce qui entraînerait leur disparition définitive n’ayant pas de possibilité d’immigrer vers des zones océaniques nouvelles correspondantes à leurs besoins ; en revanche les espèces équatoriales auraient la possibilité d’immigrer vers le tropiques elles pourraient ainsi se maintenir. En extrapolant une augmentation continue des températures jusqu’ en 2300, où elles pourraient dépasser 10°C, la disparition des espèces marines serait comparable à celle de la fin du permien car il n’y aurait plus de zone océanique accueillante. Les mers seraient peu à peu vidées de toute espèce de poisson.

Nous commençons à voir les effets du réchauffement climatique sur le monde marin avec l’apparition dans nos mers de climat tempéré d’espèces qui y étaient rares comme les méduses. Ces mouvements correspondent déjà aux premiers stades de ce que deviendront nos mers si la température de la surface de la terre continue de croître.

 

*Justus L. Penn et Curtis Deutsch. Science 29 avril 2022, N°6592, pp.524-526.  

L'émotion animale

Mercredi 6 Juillet 2022


La prise en compte morale de la douleur animale est récente. Il a fallu progresser dans la neurophysiologie pour comprendre que la sensibilité n’était pas réservée à l’espèce humaine mais qu’elle était présente chez les animaux proches de l’homme et d’une certaine manière chez les poissons et les crustacés. A partir d’un article* de la revue Science nous allons suivre la progression de la connaissance sur ce sujet.

On est parti de loin puisque, jusqu’en 1980, on pensait encore que la non expression verbale d’un ressenti (apanage de l’être humain) signifiait absence de ressenti ; les très jeunes enfants qui ne parlaient pas encore étaient donc insensibles à la douleur et de ce fait on pouvait les opérer sans anesthésie!

Pour tenir compte de la sensibilité (notamment à la douleur) des animaux proches de l’homme (mammifères),  il a fallu séparer le ressenti de l’émotion. Le ressenti est un état conscient personnel qui n’est pas perceptible extérieurement et donc inaccessible à l’expérimentation ; l’espèce humaine grâce au langage peut faire état du ressenti ce qui n’est pas le cas des animaux. Les émotions au contraire sont mesurables physiologiquement ou au niveau neuronal. Le visage, chez l’homme, traduit les émotions par des contractions musculaires spécifiques que l’on peut retrouver chez les chimpanzés. Les espèces plus éloignées vont manifester leurs émotions de manière différente et l’on a découvert par exemple que la peur se manifestait par un abaissement des températures des extrémités aussi bien chez le rat que chez les êtres humains. Les physiologistes peuvent aussi étudier chez l’animal les aires du cerveau qui sont affectées lorsqu’il ressent de la peur, de la colère, du dégoût ou de l’attraction.

Les outils d’évaluation des réponses émotives se sont améliorés. Les chercheurs modifient l’environnement de l’animal : riche versus pauvre ou agité versus calme. Ils entraînent l’animal à ces stimuli extrêmes puis le placent dans un environnement ambigu, moyen. Ils peuvent alors juger l’approche optimiste ou pessimiste du stimulus par l’animal. On a ainsi montré que les environnements pauvres affectent négativement la vision du monde des mammifères et des oiseaux.

Les animaux sont particulièrement sensibles aux signes émotionnels de leurs congénères. Cela se traduit par des marques d’empathie au moyen de contacts corporels lorsqu’un de leur congénère est stressé. Il peut y avoir aussi des comportements synchronisés : Lorsqu’un individu du groupe a peur ou perçoit un danger tous les individus du groupe vont manifester de la peur et s’enfuir. Ces réponses seraient commandées par des mécanismes neuronaux.

Enfin, bien que l’on ne puisse démontrer que le ressenti des animaux supérieurs existe, leurs comportements émotionnels sont en faveur de son existence ; la science reconnait des similarités entre ces animaux supérieurs et l’espèce humaine en ce qui concerne la neurophysiologie, la connaissance, les émotions et le ressenti.

Qu’en est-il maintenant des poissons et plus éloignés encore des crustacés  (crabes, langoustes et homards). Pour ces derniers on a,  dans certains pays comme l’Angleterre, interdit de les plonger dans de l’eau bouillante en l’état vivant pour les cuisiner! On a très longtemps pensé  que la réaction qu’ils manifestaient à un choc agressif était nociceptive c’est-à-dire une réaction réflexe qui implique seulement le système nerveux périphérique (analogue à la réaction de retrait que nous manifestons  lorsqu’on touche un objet très chaud). Des expériences plus récentes ont montré cependant que poissons et crustacés ont une mémoire des expériences négatives et qu’ils évitent les lieux où ils ont subi ces expériences. Cette mémoire négative implique une décision prise au niveau du système nerveux supérieur.

Dès lors que nous reconnaissons que les animaux peuvent aussi avoir un ressenti (bien moins développé que le nôtre sans doute), ils ne peuvent être exclus, par convenance, de notre champ moral. Déjà des règles d’abattage ont été prescrites, et l’éducation au bien-être des animaux se développe mais on est loin encore d’un comportement général satisfaisant.

 

*Adam J. Kucharski et Cheryl Cohen, Science 25 mars 2022, N°6587, pp. 1349-1350                  

Les plantes et la sècheresse.

 

Lundi 6 Juin 2022

Tous les organismes vivants sont composés essentiellement d’eau. Cette eau est nécessaire à l’apport des nutriments, au fonctionnement du métabolisme, au maintien des structures internes, à l’élimination des déchets.  Ainsi les plantes récupèrent par leurs racines les éléments minéraux dissouts dans l’eau du sol, ces nutriments sont transportés grâce à l’eau dans les cellules où seront synthétisées les molécules constitutives des organes, l’eau sera éliminée au niveau des stomates par évaporation ou par sudation au niveau des nectaires ou des glandes sécrétrices. Le manque d’eau va affecter la nutrition, le métabolisme, les structures internes et à la limite la vie des plantes.

Au fur et à mesure qu’une période de sècheresse se développe nous observerons donc plusieurs phénomènes : chez les plantes herbacées, une fanaison des feuilles (phénomène encore réversible) et, si la sècheresse se prolonge, leur dessiccation et leur mort. La pelouse devient sèche, elle ne reverdira qu’après une pluie qui fera germer des graines présentes dans le sol non affectées par le manque d’eau ou induira la croissance de nouveaux bourgeons à l’aisselle du collet racinaire encore vivant. Chez les plantes ligneuses (arbres et arbustes), il y a dessiccation des feuilles et leur chute. La présence de lignine dans les rameaux et les troncs est une protection forte contre leur dessiccation, mais si la sècheresse persiste on observera une destruction des jeunes rameaux non encore totalement lignifiés et, sur les troncs, des lésions se manifestent par des méplats de l’écorce sous lesquels apparaissent le bois desséché. Ces lésions sont liées à l’échauffement produit par le rayonnement solaire sur le tronc, la chaleur n’y est plus évacuée par la montée de sève provenant de l’absorption racinaire. Non visibles à l’œil nu, peuvent aussi se créer dans les vaisseaux du bois des ruptures de la colonne de sève qui les rendent ensuite impropres à la conduction.

Les plantes (nous nous limiterons aux plantes de nos climats non xérophytes) ont acquis plusieurs défenses pour se protéger des variations climatiques. Il y a d’abord des dispositifs dits de régulation, ceux-ci ne nécessitent pas de changements morphologiques ou biochimiques. En ce qui concerne la déshydratation, le plus important est la fermeture des stomates qui intervient dès que la perte par évaporation à la surface des feuilles est supérieure à la fourniture d’eau par les racines. Au-delà de cette fermeture, la déshydratation de la feuille se fait par toute sa surface et aboutit à la fanaison qui est une perte de turgescence des feuilles et des jeunes rameaux. La fanaison est un phénomène réversible si la déshydratation tissulaire n’affecte pas l’intégrité des cellules. L’acclimatation est un autre dispositif réversible de protection des plantes aux variations du climat. Elle ne s’acquiert que lentement. Ainsi en période sèche, la cuticule, couche cireuse qui recouvre l’épiderme les feuilles et des fruits, s’épaissit ralentissant ainsi l’évaporation ; les tissus internes sont moins hydratés (penser à la différence entre une salade de serre et celle de plein champ) enfin la pilosité est plus dense (notamment chez les plantes dont les feuilles et les fruits sont à épiderme duveteux : pêches, Kiwis). En dernier lieu il existe des réponses irréversibles de type développemental. La plus remarquable, vis-à-vis de la sècheresse, est la capacité du système racinaire à explorer le sol. La vigne en est l’exemple le plus démonstratif, son système racinaire est capable de s’enfoncer très profondément dans le sol pour y puiser l’eau retenue dans les couches imperméables.    

La fusion nucléaire contrôlée est-elle en passe de réussir ?

Jeudi 5 Mai 2022

Comment obtenir une énergie, propre (n’émettant pas des gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs) et qui est disponible indéfiniment? Seule la fusion nucléaire répond à ces exigences dans la mesure où elle peut être contrôlée. Dans une réaction de fusion deux noyaux d’atomes légers (deutérium et tritium par exemple) fusionnent pour donner un noyau plus lourd (hélium). Au cours de la fusion il y a perte de masse qui selon l’équation d’Einstein se transforme en énergie. Maitriser la réaction de fusion permettrait d’obtenir de l’énergie en quantité infinie.

La fusion ne peut avoir lieu que si les noyaux atomiques sont séparés de leur environnement électronique pour cela il faut chauffer les atomes a des températures très élevées de l’ordre de 150 millions de degrés on obtient ainsi un plasma dans lequel noyaux et électrons sont séparés. Les noyaux peuvent alors se percuter et, si la percussion est très forte, fusionner. On a tenté de réaliser ces fusions de deux manières les « mégajoules » et les « tokamaks ».

Dans les mégajoules on enferme les deux gaz deutérium et tritium dans une capsule de la taille d’un grain de maïs, et on soumet cette capsule à une impulsion simultanée du rayonnement de 150 à 200 lasers dont la somme de capacités énergétiques est proche de deux mégajoules. La capsule et donc les deux gaz qu’elle contient reçoivent un choc énergétique susceptible de provoquer la fusion de leurs noyaux.

Les tokamaks sont des enceintes de forme torique enveloppées par une grille de puissants aimants. Dans cette enceinte les gaz deutérium et tritium sont chauffés jusqu’à atteindre la phase plasma où noyaux et électrons sont séparés ; les aimants vont maintenir le plasma en forme d’anneau qui ne puisse toucher et fondre les parois du tokamak. Les noyaux confinés à l’intérieur du plasma vont pouvoir fusionner et produire à leur tour de l’énergie par perte de masse.

Jusqu’ici les dispositifs mégajoule et les tokamaks avaient échoué dans l’initiation d’une réaction de fusion. Ce n’est plus le cas aujourd’hui ; les deux dispositifs les plus avancés : le NIF (National Ignition Project) mégajoule Américain et le JET (Joint European Torus) le plus grand tokamak en fonctionnement actuel basé en Angleterre ont publié des résultats particulièrement encourageants.

Les chercheurs qui travaillent sur le mégajoule américain ont annoncé avoir produit, le 8 août de l’année dernière, une réaction de fusion délivrant une quantité d’énergie à la limite de celle apportée par le tir des lasers*. Un tir de 1,9 mégajoule a produit une fusion délivrant 1,35 mégajoule  ce qui s’est traduit par une flamme qui s’est propagée à l’intérieur de la minuscule chambre plasmatique. Les chercheurs espèrent atteindre une énergie de fusion supérieure à celle fournie par un tir de lasers en améliorant la taille de la chambre plasmatique et l’efficacité des tirs.

En 1997, le tokamak JET avait généré pendant 1,5 seconde, une pulsion énergétique qui avait atteint les deux tiers de la quantité de celle qui lui était fournie**. Mais les progrès restaient insignifiants et l’appareil posait de nombreux problèmes. Cela a d’ailleurs conduit à la réalisation d’ITER,  tokamak géant (20m de diamètre) en cours de construction à Cadarache, qui devrait permettre un meilleur confinement du plasma. En attendant les chercheurs du JET ne sont pas restés inactifs, ils ont augmenté la puissance des aimants, modifié le système de chauffage et remplacé les parois internes de la chambre de leur tokamak  de façon à se rapprocher le plus près du futur ITER. Le 21 décembre 2021 ils ont pu maintenir pendant 5 s deux isotopes de l’hydrogène (Tritium et Deutérium) à 150 millions de degrés et créer une réaction de fusion libérant une énergie de 59 mégajoules 2,5 fois plus que les 22 mégajoules qu’ils avaient obtenus il y a 20 ans. Ce succès est encourageant pour ITER qui devrait enfin atteindre un rendement supérieur à l’énergie qui est dépensée pour entretenir le plasma.

Une réaction de fusion entretenue et contrôlée semble maintenant du domaine du possible ; bientôt pourrons-nous peut-être disposer d’une source d’énergie propre en quantité illimitée.

*Daniel Clery, Science, vol.373, N°6557, P.841.

**Daniel Clery, Science, vol. 375, N° 6581, p.600.   

L'accroissement des surfaces affectées aux cultures vivrières a été, sur deux décades, de 100 millions d'hectares !

 Mardi 5 Avril 2022

Une nouvelle carte globale des surfaces agricoles destinées aux cultures vivrières vient d’être établie* à partir de donnée satellitaires, elle montre que ces surfaces se sont accrues au cours des deux dernières décades de 100 millions d’hectares (deux fois la surface de l’Espagne).

La carte a été établie à partir d’images du programme Lansat de la NASA qui a lancé périodiquement une série de satellites qui ont photographié à chacune de leur révolution des surfaces qui bord à bord couvraient l’ensemble de la planète. Chaque pixel des images obtenues représentait environ 30 m2. L’équipe a visité des fermes dans différentes régions de notre planète ou a utilisé des images commerciales de Google pour distinguer les zones de culture des zones de prairie naturelles ou d’autres couvertures du sol.

 Si les besoins de terre pour de nouvelles cultures sont associés à la croissance très forte de la population africaine, les auteurs de l’étude soulignent aussi que la planète devient une ferme mondiale dans laquelle les pays riches se fournissent au détriment des pays pauvres. Par ailleurs la moitié des terres ont été reprises sur la forêt ou d’autres écosystèmes naturels au détriment du piégeage du carbone et du maintien de la biodiversité.

Entre 2000 et 2019, les surfaces mises en culture se sont accrues de 9% bien au-delà des prévisions calculées par la FAO qui n’étaient que de 2,6%. C’est en Amérique du Sud où l’expansion a été la plus forte, près de 50%, des nouvelles terres ont été affectées essentiellement à la culture du soja dont la demande a explosée avec le développement des élevages en Chine et ailleurs. Mais la croissance absolue la plus forte a été en Afrique : 40%. Il a fallu faire face à une population rapidement croissante et l’affectation de nouvelles terres à la culture sera encore nécessaire. Enfin l’Asie du Sud et les grandes plaines Nord-Américaines ont aussi agrandi leur surface agricoles vivrières.

Sur quelles couvertures naturelles du sol sont prélevées ces terres ? Si la conversion à l’agriculture des forêts humides comme la forêt Amazonienne reste la plus importante, de nouveaux espaces sur lesquels la biodiversité est plus ou moins grande sont largement empiétés comme les forêts sèches et les savanes (Chaco et le Cerrado en Argentine).

La biomasse obtenue sur les terres arables s’est accrue, sur la période d’étude, de 25% alors que la surface affectée à chaque individu a baissé de 10%. Il y a donc une meilleure efficacité dans les techniques culturales ; cependant l’Afrique obtient les moins bons résultats, il y faut plus de terre pour obtenir la même récolte. L’Afrique doit améliorer sa productivité agricole.

Enfin ces pertes diminuent le stockage par les arbres et le sol du carbone et contribuent ainsi à l’effet de serre. L’affectation des sols aux cultures vivrières contribuerait à un huitième des émissions humaines de carbone.

En 2000, des chercheurs (voir mon livre page 51) estimaient que l’augmentation des surfaces de terres affectées à la production vivrière en 2020 serait de 120 millions d’hectares ce chiffre bien que supérieur à ce qui a été atteint reste du même ordre de grandeur. Il était prévu qu’en 2050 il faudrait 350 millions d’hectares supplémentaires. Où allons-nous ! La demande en terres vivrières ne peut d’ailleurs se stabiliser qu’avec l’arrêt de la croissance de la population mondiale nous n’y sommes pas encore.

*Gabriel Popkin, Science, 7 janvier 2022, N° 6576, p. 12.     

L'expérimentation dans les sciences de la vie.

 Samedi 5 Mars 2022

Les sciences de la vie ont recours très souvent à l’expérimentation en ce sens elles font partie des sciences expérimentales. Expérimenter c’est répondre à une question : le phénomène biologique que l’on observe est-il déterminé par le facteur que nous supposons en être le responsable ?

Notons d’abord que le dispositif expérimental que nous allons mettre en œuvre pour répondre à la question qui est posée peut nous emmener à faire deux types d’erreurs. La première est la suivante : le résultat de l’expérimentation nous dit que l’hypothèse est juste alors qu’en réalité elle est fausse, c’est une erreur de type 1. C’est l’erreur la plus grave, elle fait plaisir au chercheur qui aime que son hypothèse soit bonne car elle va lui permettre de faire une publication, mais étant fausse elle peut faire circuler un résultat qui n’est pas en accord avec la réalité. L’on notera ici l’importance de refaire l’expérimentation. La deuxième erreur possible est que le résultat de l’expérimentation ne confirme pas l’hypothèse qui avait été faite alors qu’elle était vraie. C’est une erreur de type 2 qui est moins grave que la première car elle n’entraîne pas de publication erronée, mais en revanche elle fait perdre une information qui aurait fait progresser la science.

Après ces considérations d’ordre logique, comment peut-on concrètement aborder une expérimentation ? Il nous faut travailler sur un exemple  concret ; j’ai pensé à une observation agronomique que l’on peut faire à la fin de l’hiver : la chute des bourgeons floraux chez certaines espèces fruitières, ces bourgeons contiennent une petite fleur morte qui n’a pu éclore. Cette chute est-elle due au gel qui a sévi au cours de l’hiver ? Voilà une première question que l’on peut se poser.

Il serait stupide de commencer une expérimentation sans avoir fait une étude bibliographique du sujet. La science en effet est une œuvre collective où chacun apporte sa contribution à un sujet qui appartient à tous. Cette contribution peut-être minime ou décisive. L’étude bibliographique va consister à rechercher et à étudier toutes les publications qui ont une relation même faible avec le sujet et voir si la question que l’on se pose n’a pas déjà été traitée.

Pour dégrossir la recherche on peut aussi faire des observations sur le déroulement chronologique du phénomène ; est-il réellement en accord avec la survenue d’un épisode gélif ? On pourra par exemple établir au cours de l’hiver les dates d’apparition des fleurs détruites en prélevant chaque semaine des échantillons de bourgeons floraux dont on observera, après dissection, l’état des petites fleurs qu’ils contiennent. La courbe de fréquence hebdomadaire des bourgeons floraux détruits sera confrontée, dans un même graphique, à la courbe de variation des températures journalières et l’on verra alors si la venue d’une gelée a été suivie d’une mortalité des fleurs.

La phase expérimentale n’est réellement possible que si l’on réussit à induire le phénomène en soumettant l’arbre sensible à des températures négatives (non excessives évidemment, comme celles qui peuvent sévir en hiver) toutes les autres conditions (hygrométrie, éclairage, alimentation de l’arbre etc.) étant égales par ailleurs. Il existe pour cela des enceintes dans lesquelles on peut programmer une période climatique et faire varier à volonté l’un des facteurs du climat. Ainsi on pourra dans l’une, créer un climat hivernal sans gel et dans l’autre un climat hivernal avec gel. On placera dans chacune de ces enceintes des arbres en pots de la même variété et à la fin du cycle on observera les bourgeons des arbres traités différemment.

L’expérimentation devrait pouvoir dire si l’hypothèse qui a été faite est correcte ou incorrecte. Il faut noter ici que l’on rencontre fréquemment, au cours de sa réalisation, des obstacles imprévus qui nécessitent de la refaire  maintes fois avant d’obtenir une réponse non critiquable.