Electrolyse de l'eau.

 

Mercredi 5 Mars 2025

On fonde beaucoup d’espoir sur l’hydrogène (H₂) en tant que nouveau carburant, mais comment l’obtenir d’une manière verte c’est-à-dire en évitant une émission du gaz à effet de serre le CO₂ ? En effet l’hydrogène qui sert à la fabrication des engrais azotés s’obtient maintenant par vapocraquage du méthane c’est-à-dire par chauffage de ce gaz en présence de vapeur d’eau selon la formule chimique :

CH₄+2H₂O -> CO₂+ 4H₂

Cette réaction bien que détruisant un gaz en effet de serre le méthane en  libère un autre le dioxyde de carbone CO_2. Elle donne ce que l’on appelle de l’hydrogène gris, très bon marché, mais dont la production émet d’énormes quantités de gaz à effet de serre. Pour obtenir de l’hydrogène vert il faut revenir à la très ancienne technique d’électrolyse de l’eau par un courant électrique issu d’énergie renouvelable ou nucléaire.

L’électrolyse consiste à couvrir d’eau les électrodes d’une cuve électrolytique réunies à une source d’électricité. Lorsque les électrodes sont alimentées, il se dégage à la cathode de l’hydrogène H₂ et à l’anode de l’oxygène O_2, gaz issus de la rupture de la molécule d’eau selon la formule simplifiée :

2 H₂O -> 2H₂ +O₂

(Notons au passage que cette réaction est réversible et que si l’on fait passer un courant d’hydrogène à la cathode et un courant d’oxygène à l’anode, il se créera un courant électrique dans le circuit qui réunit les deux électrodes et de l’eau par l’association des deux gaz : c’est une pile à combustible).

Pour obtenir de l’hydrogène vert il ne faut pas que le courant électrique d’alimentation soit issu d’une énergie fossile. Il se pose enfin le problème de la rareté et de la cherté du métal des électrodes : le platine, qui peut devenir un obstacle à l’expansion de l’électrolyse.

Selon la revue Science* de nouveaux types d’électrolyseurs sont en cours de mise au point pour palier la rareté du platine constituant des électrodes.

Le plus avancé est l’AWE (Alkaline Water Electrolyser ou électrolyseur d’eau alcaline). Il fonctionne un peu comme une batterie ; deux électrodes en nickel ou acier inoxydable séparées par une membrane poreuse sont immergées dans de l’eau contenant un électrolyte (soude par exemple) qui favorise le mouvement des ions. La cathode chargée négativement par le courant d’alimentation, partage la molécule d’eau en protons H⁺ qui se recombinent pour donner de l’hydrogène et en ions hydroxyde OH^- qui traversent la membrane et vont vers l’anode chargée positivement où ils se recombinent pour donner de l’oxygène et un peu d’eau. La membrane ralentit et évite le mélange explosif oxygène-hydrogène. Cette technique est au point, elle utilise des électrodes peu coûteuses, mais elle fonctionne mal en courant alternatif.

Dans l’électrolyseur PME (Proton Exchange Membrane ou membrane échangeuse de protons), l’action est inversée ; elle commence à l’anode qui tire les électrons des molécules d’eau et partage celles-ci en protons H⁺ et molécules d’oxygène O₂. Les protons traversent la membrane pour rejoindre la cathode qui leur fournit les électrons qu’ils avaient perdus reconstituant ainsi la molécule d’hydrogène H₂. Dans ce dispositif la membrane est un polymère solide formé de molécules qui transfèrent les protons de l’une à l’autre. Le système PME est plus efficace que l’AWE, il fonctionne mieux avec des courants alternatifs et puissants et donc la taille des électrolyseurs est plus petite. Cependant il utilise pour ses électrodes un catalyseur rare et coûteux l’Iridium car les protons forment des points hautement acides qui dégradent les catalyseurs conventionnels, enfin la membrane est constituée de substances polyfluoroalkylées ou encore PFAS (considérées comme des polluants éternels) et interdites dans certains pays.

Le dernier dispositif, le plus récent, AEM (Anion Exchange Membrane ou membrane échangeuse d’anions), combine les avantages des deux systèmes précédents ; les ions hydroxydes OH^- qui se forment à la cathode traversent une membrane solide et se recombinent à l’anode pour former l’oxygène, les protons reçoivent des électrons à la cathode pour former de l’hydrogène. Ce modèle ne demande ni électrode constituée d’un  catalyseur rare (Iridium, platine) ni d’une membrane solide en PFAS. Ses défauts sont une membrane qui se dégrade rapidement et la non acceptation de courants alternatifs.

En définitive la technique de production d’hydrogène par électrolyse a beaucoup progressé mais elle ne peut encore se substituer au vapocraquage du méthane. Il faudrait pour cela que le prix du kilowatt électrique soit 10 fois moins cher et augmenter considérablement la production d’électricité renouvelable. On est loin encore de la substitution des carburants fossiles par un carburant vert : l’hydrogène.

* R.F. Service, Science, 24 janvier 2025, N°6732, pp.354-357

D'où vient notre nourriture ?

 Mercredi 5 Février 2025

Vous êtes-vous interrogés sur l’origine des produits que nous mangeons ? Peut-être un peu, mais il n’est pas facile de répondre à cette question car, pour les produits transformés, on ignore tout de ce qu’a utilisé le transformateur et pour les produits non transformés : fruits, légumes, viande, si en faisant son marché la cuisinière peut voir, à l’affichage, d’où viennent les fruits ou les légumes, elle n’aura que peu d’informations sur l’origine de la viande. En fait on ne s’intéresse pas à ces questions ; on ne s’y intéresse qu’en cas de pénurie, ou quand leur coût devient excessif.

Une étude* récente mérite ici d’être résumée, car elle nous éclaire sur l’importance du commerce mondial des produits alimentaires, de l’intérêt de ce commerce et des risques qui y sont liés.

Il y a 10 ans déjà, 80 % de pays étaient importateurs de nourriture ; cela pouvait être des compléments à leur production ou l’achat d’aliments qu’ils ne produisaient pas du fait de leur position géographique. Les pays arides comme ceux d’Afrique du Nord et du Moyen Orient sont les plus dépendants de l’importation pour les produits de première nécessité (céréales notamment), l’Arabie Saoudite et les petits états de la péninsule arabique importent 90% de leur nourriture. En 2050 plus de la moitié de la population mondiale dépendra d’une nourriture produite ailleurs.

La croissance des échanges de produits agricoles a eu des aspects positifs. Elle a permis aux pays producteurs de faire d’énormes bénéfices ; de créer de nouveaux emplois et de développer les exportations. Les pays qui souffrent de conditions climatiques extrêmes ont pu s’assurer une alimentation régulière. Enfin elle a complémenté et agrémenté notre alimentation par l’importation de produits de climats différents ou de l’autre hémisphère.

Environ un quart de la nourriture produite au niveau mondial est commercialisée sur des  marchés internationaux et 9 nations (dont la France 8^ème) fournissent l’essentiel de ces produits notamment le blé, le maïs, le riz, et le soja. Cette croissance, qui devrait se poursuivre, tient à la création en 1993 de l’Organisation Mondiale du Commerce (WTO) entraînant un abaissement des barrières commerciales (suppression des droits de douane, baisse des tarifs)  et de l’entrée en 2001 de la Chine dans cette organisation car elle est le plus gros importateur mondial de produits alimentaires notamment du Brésil, de l’Argentine, du Canada et des USA. Les 9 grands pays producteurs ont à la fois des conditions climatiques, de milieu, et une efficacité de production qui leur permet d’avoir des surplus. Ceci est une bonne chose mais elle a aussi son revers : dès que se présente un problème de production toute la planète sera affectée. Ils ont tendance aussi à augmenter leur production pour suivre la demande et donc accroître les surfaces emblavées au détriment de leur milieu naturel.

Ces échanges alimentaires entraînent, du fait de transports lointains, des émissions de gaz à effets de serre importants. Il est bien entendu que la production agricole la plus souhaitable doit se faire près du lieu de consommation.

Les auteurs de l’article émettent une idée intéressante : chaque pays devrait établir son Index de Vulnérabilité basé sur sa production et sa demande. Cet Index devrait permettre d’orienter leur productions agricoles de façon à mieux faire face à l’évolution de leurs besoins et aux chocs des marchés.

 

*Joel K. Bourne, Jr. Science, 29 novembre 2024, N° 6725, pp. 958-967

                                

Territoire.

 Dimanche 5 Janvier 2025

L’écologie étant l’étude des relations entre les êtres vivants et leur environnement physique ou biologique, le comportement social est aussi une branche de l’écologie incluse dans l’écologie évolutive ; elle s’intéresse aux interactions entre individus à l’intérieur des populations de la même espèce ou entre espèces. Ces interactions peuvent être de coopération ou de conflit, ainsi la délimitation d’un territoire et sa défense par un individu ou un groupe d’individus contre des individus de la même espèce ou d’espèces différentes, est une source d’interactions conflictuelles qui est étudiée en écologie évolutive.

On trouve une défense de territoire chez de nombreux animaux : les insectes sociaux ou non, les amphibiens, les lézards, les oiseaux et les mammifères ; chez ces derniers c’est quelquefois en groupe que le territoire se défend et non individuellement (cas des loups par exemple).

Le marquage du territoire peut être olfactif ; l’animal dépose en différents points autour de son territoire des substances à très forte odeur : urine, fèces, extraits glandulaires qui seront reconnus par les intrus potentiels. Il peut être visuel, l’animal laisse des traces de grattage sur les arbres, des touffes de poils qui rappelleront son odeur. Enfin il peut être sonore : vocalises chez les oiseaux, cris brefs et répétés chez les batraciens, hurlements chez les loups. Ce marquage annonce la prise du territoire et constitue un avertissement à l’intrus.

Pourquoi un animal défend-il un territoire ? Il défend un territoire parce que les ressources qu’il contient vont lui permettre de se nourrir et de survivre.  Ainsi la dimension du territoire défendu va varier en fonction de sa richesse en nourriture et selon les besoins du défenseur. Un oiseau mouche défend un arbuste en fleur ; une horde de loups va défendre un grand espace. Le temps de défense varie aussi en fonction de la durée des besoins en nourriture, les oiseaux migrateurs peuvent protéger un territoire pendant quelques heures seulement, lors d’une étape de leur voyage migratoire.

La défense d’un territoire a un coût énergétique ; si ce coût dépasse la quantité d’énergie que le défenseur peut en tirer, sa défense ne se justifie pas, il y aurait donc une optimisation à atteindre ? Il est cependant bien difficile de connaître ce qui a motivé une espèce lors du tracé de son territoire. S’agit-il de sa richesse en ressources alimentaires, de la présence d’un environnement facile à défendre, ou des capacités énergétiques du défenseur lui-même? La défense doit tenir compte aussi de la présence plus ou moins fréquente d’espèces contestataires.  

La neige marine.

Jeudi 5 Décembre 2024

Vous avez sans doute vu à la télévision, des images sous-marines abyssales qui présentent sur fond noir des flocons blancs qui tombent comme la neige en hiver ; d’où viennent ces flocons, que contiennent-ils ?

Cette « neige marine » se fabrique à la surface des mers par agrégation du plancton qui englobe tous les organismes vivant en suspension dans l’eau : phytoplancton photosynthétique, zooplancton de nature animale se nourrissant de déchets ; on y trouve aussi des bactéries et des virus. C’est tous les constituants vivants ou morts de l’écosystème qui se développe dans les eaux de surface éclairées des océans, qui participent à la constitution de ces flocons. La neige marine  va s’enfoncer dans l’eau et ira se déposer au fond des océans. Elle pourra servir de nourriture aux espèces abyssales mais surtout se déposera définitivement sur le fond marin extrayant ainsi définitivement une partie du carbone superficiel. Cette neige marine joue donc un rôle important dans la régulation du climat, le processus qui s’y réalise est appelé « pompe biologique », il permettrait le stockage de 30% du carbone émis par l’activité humaine. (Notons aussi que les dépôts formés par la sédimentation au cours des temps géologiques d’algues à capsule calcaire ont donné après soulèvement les reliefs karstiques si présents dans notre pays).

La formation d’un flocon de neige marine est un processus complexe incomplètement connu. Une cellule de phytoplancton seule mettrait, du fait de sa faible taille et densité, un temps très long pour atteindre le fond de l’océan ; c’est l’agrégation de plusieurs cellules compactées par le ciment produit par la désintégration bactérienne du zooplancton qui crée ces flocons dont la vitesse d’enfoncement dans la colonne océanique sera fortement accélérée.

Récemment des chercheurs* ont prélevé des colonnes d’eau de mer  à 80m de profondeur et pu observer au niveau microscopique les flocons de neige marine  quelles contenaient et simuler expérimentalement leur descente gravitationnelle.  L’observation microscopique a montré que le flocon est constitué d’un matériel opaque hétérogène biologique comprenant des cellules entières de phytoplancton, des fractions de cellules rigides (frustules de diatomées ou de radiolaires) ou moles, le tout enveloppé dans un mucus. Le mucus de nature polysaccharidique, transparent et donc invisible, forme autour de l’agrégat opaque un halo analogue à une comète avec sa queue.

La présence de ce mucus va ralentir la vitesse de descente du flocon dans la colonne d’eau océanique, il ralentit donc la déposition du carbone au fond de l’océan.

*Rahul Chaiwa et al. Science, 11 octobre 2024, N°6718,pp 166-175

Effets des OGM cultivés sur l'environnement.

 Mardi 5 Novembre 2024

Nous avions déjà abordé cette question en 2009 (dossier sur les OGM : Organismes Génétiquement Modifiés) il était intéressant, 15 ans après, de voir comment les choses ont évolué. Or une étude bibliographique du sujet parue récemment dans la revue Science* traite précisément de cette question, elle nous donne l’occasion d’en faire le point à nouveau.

Voyons d’abord quels sont les OGM en cause et l’importance qu’ils ont pris en culture.

Depuis une trentaine d’années, deux OGM : la tolérance aux herbicides Th (notamment au glyphosate)  et la résistance aux lépidoptères Bt (gène provenant de la bactérie Bacillus thuringiensis) on fait l’objet d’un développement cultural intense sur le soja, le maïs, le coton et le colza. Mais depuis ces premières autorisations, de nombreux pays ont édicté des régulations très strictes sur les OGM de telle sorte que, bien qu’il existe d’autres caractères transformés (notamment des résistances), ils n’ont jamais vu un développement commercial. D’ailleurs le coût de la régulation de ces semences et tellement élevé que seules quatre grandes sociétés grainières se partagent plus de la moitié du marché mondial. En 2019 ces semences OGM ont été utilisées par 29 pays sur 190 millions d’hectares représentant 13% des terres arables. La culture des OGM est concentrée sur 5 pays : USA 38%, Brésil 28%, Argentine 13%, Canada 7%, Inde 6%.

Il est difficile de comparer les effets de l’utilisation en culture des OGM à ceux d’une culture normale non OGM. Les fermiers qui adoptent ces semences génétiquement modifiées diffèrent souvent des autres par la taille de leur exploitation, leur niveau d’instruction, l’accès à l’irrigation et les contraintes de travail ; ceci ne se prête guère à la réalisation d’essais comparatifs avec analyse statistique. Cependant en associant les rares  études rationnelles qui existent aux nombreuses données d’observation on peut déduire plusieurs effets de l’emploi de ces OGM. Nous allons les présenter maintenant.

L’utilisation des OGM qui réduit les prix de revient est-il un facteur de limitation de l’expansion de l’agriculture sur la forêt ? On a observé en effet que, dans plusieurs situations, l’expansion de l’espace agricole avait été limitée, mais l’accroissement des revenus peut aussi inciter à accroître la surface cultivée. C’est ce qui s’est passé au Brésil où leur moindre coût de production a fait étendre leur surface au détriment de la forêt.

Les deux OGM les plus cultivés Th et Bt ont-ils permis de réduire l’utilisation des pesticides ? En ce qui concerne la tolérance aux herbicides à large spectre (notamment au glyphosate) des variétés Th, leur utilisation a réduit la consommation des herbicides spécifiques mais elle a notamment accru l’utilisation du glyphosate. Elle a eu pour autre effet aggravant, l’apparition de mauvaises herbes résistantes à cet herbicide ; les obtenteurs de cet OGM ont été ainsi conduits à créer des OGM résistants à un herbicide plus fort (et donc plus toxique) le Dicamba. La résistance aux lépidoptères des OGM  Bt a induit une réduction appréciable de l’utilisation des insecticides cependant on a constaté une prolifération plus importante d’insectes autres que les lépidoptères et même l’apparition de formes de résistance chez les lépidoptères lorsque l’agriculteur n’avait pas prévu d’aires refuges constituées de plantes non OGM.

Y a-t-il un effet de l’utilisation des OGM en culture sur la santé humaine ? L’effet direct, c’est-à-dire la consommation de ces plantes transformées, est considéré maintenant comme négligeable. L’effet indirect, sur les agriculteurs, suite aux changements de l’utilisation des pesticides induits  par ces OGM, ne l’est pas. Les OGM Bt qui apportent une résistance aux lépidoptères ont réduit significativement l’utilisation des insecticides sur ces cultures et sont donc positifs pour la santé. En ce qui concerne les OGM Th leur utilisation a, selon les uns, déplacé l’usage d’herbicides très toxiques vers des herbicides moins toxiques (le glyphosate), donc c’est un effet positif ; mais selon d’autres cette substance active serait potentiellement cancérigène.

Quelques aspects positifs de l’utilisation des OGM ont été relevés sur les techniques culturales ; l’utilisation intensive du glyphosate sur les cultures Th a favorisé le non labour des sols qui bien que contesté au point de vue des rendements est favorable à la vie souterraine. Toutefois des sols peu envahis par les mauvaises herbes ont permis l’abandon des rotations et entraîné l’uniformisation des cultures dans l’espace et dans le temps.

La biodiversité ne semble pas avoir été affectée sur les espèces non ciblées en ce qui concerne les OGM Bt ; l’absence de rotations favorisée par l’utilisation des OGM Th provoque une réduction, au moins temporaire, de la biodiversité sur ces paysages homogènes.

Enfin l’utilisation des OGM est susceptible de réduire ou d’aggraver les émissions de gaz à effet de serre, par l’expansion ou la réduction des espaces cultivés au détriment des forêts ou à leur avantage, par les modifications des techniques culturales : suppression des labours, réduction des fumures, modifications du machinisme agricole. Cependant si les publications sur le sujet concluent souvent à une réduction des émissions, rien n’en quantifie l’importance.

D’une manière générale une incertitude persiste sur les effets de ces nouvelles cultures quant à leur innocuité ou leur  dangerosité pour l’environnement. Pour chacun de ces OGM on constate des effets positifs et des effets négatifs, il serait souhaitable d’aller plus loin dans ces études pour recueillir des résultats plus précis.

 

*Frederik Noak et al., Science 385 cado 9340, 30 août 2024.

La sélection naturelle.

Samedi 5 Octobre 2024

 

Le darwinisme a mauvaise presse on l’accuse de favoriser les forts et d’éliminer les faibles, d’être aussi à l’origine de déviations comme l’eugénisme. Est-ce bien ce que dit une théorie qui constitue toujours une base fondamentale de la biologie ?

En fait on ne retient trop souvent de la sélection naturelle que ce qui se passe au niveau des espèces apicales des écosystèmes : la prédation. A ce niveau l’espèce prédatrice plus forte, plus rapide gagne son combat sur sa proie dont elle va se nourrir.

En réalité la sélection naturelle est considérablement moins agressive, les individus en naissant possèdent déjà des caractères qui les adaptent plus ou moins bien au milieu dans lequel ils vont vivre, ils doivent seulement trouver leur nourriture et se reproduire  et ceci est vrai pour toutes les espèces du monde vivant. La capacité de se nourrir conduit évidemment aux effets de prédation qui nous paraissent d’une brutalité extrême, mais plus discrètement au détournement de la nourriture par les racines d’une plante au détriment de celles de la plante voisine et a toute concurrence pour l’accès à la nourriture lorsqu’elle est partagée entre plusieurs espèces. La capacité de se reproduire peut entraîner des concurrences entre mâles rarement mortelles, elle est beaucoup plus soumise aux aléas de la recherche du partenaire (surtout si la population est peu importante) et aux possibilités pour les descendances de trouver facilement des refuges et de la nourriture.

Ce que l’on ne retient pas et qui est le plus important c’est que la sélection favorise les caractères qui donnent à l’individu un avantage dans leur environnement. Par exemple dans un environnement aride, sera favorisé l’individu portant un caractère issu d’une nouvelle mutation qui lui permet de se déshydrater moins rapidement. Ceci est vrai pour toutes les composantes physiques ou chimiques du milieu aérien : température, hygrométrie, lumière, etc. ou du milieu sous-marin, dans lesquels la vie est possible et ceci n’a rien à voir avec toute réserve morale que l’on peut se faire sur la théorie.

Les mutations, c’est-à-dire les modifications spontanées ou induites de l’ADN, sont la source de variabilité ; les caractères nouveaux qui en découlent, proches ou lointains de la forme existante, vont être confrontés à l’environnement. Si le caractère apporte un avantage à l’individu chez lequel il est apparu, ce dernier sera favorisé par rapport au reste de la population à laquelle il appartient ; sa « fitness » (nombre de descendants) sera plus grande et le caractère s’installera peu à peu dans le groupe au détriment du précédent à moindre valeur sélective. Les changements évolutifs aboutissent à des lignées modernes mieux adaptées à un environnement changeant.

Prise dans ce sens qui était celui de Darwin d’ailleurs, la sélection naturelle explique toute l’évolution du monde vivant et son infinie diversité.

Peut-on réduire les émissions de gaz à effets de serre de la sidérurgie?

 Lundi 5 Août 2024

 

La sidérurgie produit successivement de la fonte et de l’acier à partir des minerais de fer qui sont essentiellement des oxydes qu’il faut purifier et  réduire. Ce processus est une source de gaz à effets de serre considérable car chacune des opérations de purification et de réduction du minerai est émettrice de ces gaz. Il faut déshydrater le minerai à 1600° en brulant du charbon dans les fours  de grillage ; réduire les oxydes de fer obtenus dans les hauts fourneaux par combustion avec du coke ce qui produit une nouvelle émission de dioxyde de carbone ; faire fondre encore une fois ce fer brut  (fonte blanche ou fonte grise) pour en faire de l’acier ou un alliage avec d’autres métaux.

Selon un spécialiste* de ces questions dont nous résumons ici l’essentiel de son article, les gaz émis pèsent le double de fer obtenu. Etant donné que 2 milliards de tonnes d’acier sont produites chaque année dans le monde entier, cela représente environ 7% des émissions annuelles de gaz à effets de serre. Ce modèle industriel qui n’a pas changé depuis 2000 ans nécessite d’être repensé.

Une startup subventionnée nommée Electra tente de « réinventer cette industrie ».

La première idée est de remplacer le carbone réducteur par de l’hydrogène. Cette technique donne de l’eau et non du dioxyde de carbone de plus elle se ferait à température plus basse : 1100°C. Des boulettes de minerai de fer chauffées sont baignées dans de l’hydrogène, l’oxygène se combine à l’hydrogène pour donner de l’eau et libère du fer pur. Cependant cette technique ne fonctionne qu’avec des minerais très riches en fer, de plus l’hydrogène réducteur utilisé est issu d’électrolyse de l’eau avec de l’électricité renouvelable qui est très chère.

Des startups subventionnées (dont Electra) tentent l’électrolyse du minerai de fer comme cela se fait pour le minerai d’aluminium (bauxite). Le minerai est dissout dans un bain d’acide et les ions fer sont attirés aux électrodes où ils forment des lingots de fer pur. L’électrolyse peut traiter des minerais impurs et comme elle peut s’arrêter et repartir vite, elle peut utiliser une électricité renouvelable soumise à des fluctuations. Par ce procédé les émissions de gaz à effets de serre ne pèseraient plus que le tiers du fer obtenu. La demande de fer pauvre en carbone rend le procédé rentable et la société teste des fours qui pourraient produire quelques centaines de kilogrammes par an avant de développer l’usine qui pourrait en produire quelques milliers de tonnes.

Enfin des chercheurs du laboratoire national Argone utilisent des microondes pour chauffer l’hydrogène à 600°C jusqu’à ce qu’il forme un plasma ; à cette température l’hydrogène peu déplacer l’oxygène même dans des minerais bruts.

Cependant toutes ces tentatives sont insignifiantes par rapport aux masses de minerai qui devraient être traitées. Le remplacement des techniques actuelles de la sidérurgie ne sont pas pour demain. La récupération du fer ou de l’acier ayant déjà servi se justifie pleinement.

 

* W. Cornwall, Science, 3 Mai 2024, N°6695, pp. 498-499.                                    

Comment les plantes communiquent-elles sous terre ?

 Jeudi 4 Juillet 2024

Le verbe communiquer a plusieurs sens, nous adoptons ici celui de transmettre quelque chose car il est souvent difficile de mettre en évidence, chez les plantes, que les signaux qui sont transmis sont utilisés par le récepteur potentiel. Ce sujet a fait l’objet d’une mise au point* de laquelle nous extrayons les principales idées.

Sous terre la communication peut se faire de deux manières : par des émissions chimiques présentes dans les exsudats racinaires ou par l’intermédiaire de champignons mycorhiziens qui vivent en symbiose sur les racines de certaines espèces mais qui, par leur réseau d’hyphes, peuvent atteindre les racines voisines de la même espèce ou celles d’autres espèces.

Les émissions chimiques racinaires vont être transportées par le substrat du sol d’une racine à l’autre. Si les racines qui se côtoient appartiennent à des plantes de la même espèce, le signal chimique émis par l’une d’entre elles, suite à un stress biotique ou abiotique auquel elle  est soumise, peut entraîner une réponse de défense rapide dans toute la population. S’il s’agit d’espèces différentes, ces émissions vont réguler la compétition qui s’exerce entre elles ou l’aggraver. Les molécules qui sont présentes dans les exsudats racinaires sont des composés organiques (métabolites secondaires le plus souvent) dont on ne sait réellement ni leur persistance dans le sol ni leur étendue de diffusion, mais ils peuvent inhiber la croissance des compétiteurs, activer les systèmes de défense ou favoriser le transfert des éléments nutritifs. Cependant peu de composés chimiques ayant ces propriétés ont été caractérisés, on connait les strigolactones chez le pois, la L DOPA chez la fève, un caroténoïde chez l’arabette.

Les réseaux d’hyphes de champignons mycorhiziens peuvent aussi assurer des jonctions entre les racines de plusieurs plantes ; si cette liaison symbiotique permet à la plante de recevoir des éléments minéraux (azote, phosphore) puisés dans le sol par le champignon, et au champignon de recevoir des molécules énergétiques (sucres) issus de la photosynthèse végétale, elle est aussi un lien de passage d’informations, de plante à plante,  sur la disponibilité nutritive, sur la présence de parasites, ou sur la situation environnementale. On a pu montrer ainsi qu’un plant de fève attaqué par des pucerons induit une réponse défensive chez les plantes de fève voisines, grâce à la transmission d’un signal par les hyphes mycorhiziennes.

L’émission de substances racinaires va influencer la composition de la flore présente sur le sol. Certaines substances émises pouvant être inhibitrices du développement des racines d’autres espèces ou au contraire stimulantes par des apports nutritifs. La flore présente sur un sol n’est que le résultat d’un équilibre précaire car il est continuellement remanié.

L’étude des exsudats racinaires est compliquée ; ils sont présents en faibles quantités, leur prélèvement ne peut se faire qu’en conditions artificielles (croissance des racines sur des milieux artificiels dont la composition est connue) ce qui questionne sur la similarité des substances obtenues à celles qui sont émises en milieu naturel. Leur connaissance est un sujet qui va se développer.

 

* E. Guerrieri et S. Rasmann, Science, 19 avril 2024, N°6693, pp. 272-273.

Les nutriments.

Jeudi 6 Juin 2024

En plus de l’énergie qui sera utilisée pour toute l’activité métabolique des plantes, la photosynthèse leur fournit trois atomes : le carbone, l’hydrogène et l’oxygène, présents dans les sucres. Ces derniers constituent les «briques de la vie » car ils peuvent servir à élaborer des polymères présents dans les parois (celluloses, pectines) ou dans les réserves (amidon, graisses, huiles). Ces trois atomes ne sont pas suffisants pour réaliser un être vivant, ils vont se combiner à l’azote, le phosphore, le soufre et le magnésium, le calcium le potassium et le fer pour donner protéines, acides aminés, pigments et métabolites secondaires. Ces six éléments sont indispensables au développement de la plante, ce sont des nutriments. D’autres comme le bore, le cuivre, le zinc le molybdène sont nécessaires en très faibles quantités ce sont des éléments traces ; leur absence peut induire chez la plante des carences.

Où trouve-t-on ces nutriments dans la plante ?

- L’azote et le phosphore sont constitutifs des acides nucléiques (ADN  et ARN).

- Le Phosphore est un constitutif de l’ADN, de plus il est présent dans les transporteurs d’énergie : Adénosine di et triphosphate (ATP et ADP). -

- Le soufre entre dans la composition de trois acides aminés essentiels (cystéine, cystine et méthionine), c’est donc un constituant structurel des protéines.

- Le magnésium est un composant de la chlorophylle et est impliqué aussi dans le fonctionnement de certaines enzymes.

- Le Calcium est un constituant de la paroi squelettique des cellules végétales.

- Le potassium joue un rôle fondamental dans l’équilibre électrolytique et aqueux de la cellule végétale, il intervient sous forme ionique (PO₄^3-)  dans la régulation de la croissance, dans la synthèse des protéines, l’ouverture des stomates.

Le fer est un élément constitutif des cytochromes transporteur d’électrons dans la respiration.

Ces éléments sont présents dans le sol sous forme de sels peu solubles qui se dissocient partiellement dans l’eau en ions solubles. C’est sous cette forme qu’ils sont absorbés par les racines. L’azote est absorbable sous forme d’ions ammonium NH₄⁺ ou d’ion nitrate NO₃^-, le phosphore sous forme d’ions phosphate PO₄^3-, le soufre sous forme d’ions sulfate SO₄²⁺, le Calcium et le potassium  sous forme d’ions Calcium Ca⁺ et P⁺, la disponibilité de ces nutriments dépend de l’acidité, de la température et de la présence d’autres éléments dans l’eau du sol.

 

L’absorption d’un élément par la plante est fonction de sa concentration dans l’eau du sol, si cette concentration est élevée, l’absorption par les racines se fait simplement par diffusion, si elle est faible les racines transportent activement l’élément à travers leur surface racinaire et le concentrent à l’intérieur de l’enveloppe, cette activité est énergie dépendante. En définitive la demande d’un nutriment par la croissance de la plante peut-être supérieure à sa présence dans l’eau du sol ; si cette demande n’est pas satisfaite la croissance ne sera pas optimale. C’est ainsi qu’un sol pauvre produit moins qu’un sol riche.        

Où trouve-t-on les espèces végétales qui nous sont utiles ?

Mardi 7 Mai 2024

Les espèces végétales que nous utilisons sont rarement endémiques, dans les bois ou les landes que nous laissons sans cultures. D’où viennent-elles alors ? Sont-elles plus fréquentes dans les zones où la biodiversité est la plus forte ou au contraire sont-elles présentes dans des zones spécifiques ?

C’est ce que des Chercheurs* ont essayé de découvrir. Pour cela, ils ont puisé leurs informations dans 12 bases de données qui font un relevé des espèces présentes dans différentes zones de la planète mais aussi renseignent sur leur utilisation ; ils ont pu ainsi cataloguer 37687 plantes utilisées par les êtres humains et situer leur position géographique.

D’une manière globale, les auteurs ont observé que les espèces utiles sont en plus forte concentration dans les tropiques et que leur gradient de densité décroit vers les latitudes croissantes. Cette répartition est en concordance avec la variation de la diversité totale des plantes. Bien que plusieurs zones tempérées peuvent en contenir en grande quantité, soit natives (Chine Himalaya), soit introduites (Europe occidentale, Est des Etats Unis). Ils ont observé aussi que dans les zones riches en espèces utiles elles y sont aussi présentes à l’état endémique ; au contraire la concentration à l’état endémique est relativement faible dans les zones tempérées.    

Ce matériel brut a été réparti en 10 catégories d’usages : nourriture humaine (incluant boissons et additifs), nourriture pour les vertébrés (fourrages), nourriture pour les invertébrés (abeilles et les vers à soie), matériaux (bois fibres), combustibles (charbon, alcool), usages sociaux (narcotiques, parfums), poisons (pour vertébrés et invertébrés), médecine (humaine et vétérinaire), usage pour l’environnement (haies brise vents, fleurs), source de gènes. Les auteurs montrent que chacun de ces dix groupes a la même distribution latitudinale : densité forte au niveau des tropiques, décroissance vers les latitudes élevées. La diversité des espèces utilisées en culture est en corrélation avec la richesse totale en plantes mais aussi avec la richesse en plantes utiles, autrement dit dans un milieu naturel riche en plantes diverses les agriculteurs utilisent beaucoup de plantes utiles et  plus encore si le milieu naturel est riche en celles-ci.

Les peuples indigènes qui dépendent beaucoup des espèces sauvages pour leur nourriture, vivent paradoxalement dans des zones qui ne contiennent pas une haute densité d’espèces utiles. Cela pourrait s’expliquer par le fait qu’ils auraient été dépossédés, au cours de l’histoire, de leurs terres d’origine.

Le réseau des zones protégées qui couvre actuellement 17% des surfaces terrestres ne contribue paradoxalement qu’à la conservation d’une faible biodiversité totale ; en outre il ne contient pas davantage d’espèces végétales utiles. Pour les auteurs il sera nécessaire, dans les futures réservations, de tenir compte de leur richesse botanique mais aussi de leur richesse en plantes utiles.

Il faut retenir de cette publication le nombre extrêmement élevés d’espèces utiles aux êtres humains (37687), leur répartition qui est la même que celle de toutes les espèces végétales (il n’y a pas de zones où elles seraient plus nombreuses) enfin leur présence insuffisante dans les zones protégées.

 

*S. Pironon et al. Science 19 janvier 2024, N°6680, pp.293-297.