Pourquoi le cactus ne meurt-il pas, même sans arrosage ?
― Il ne respire que la nuit
Une plante verte posée dans la même pièce fane après quelques jours sans eau. Le cactus, lui, reste impassible même après un mois d'abandon total. La différence ne vient pas de la quantité d'eau stockée dans son corps. Elle vient du moment où il ouvre sa « sortie » d'eau. Là où une plante ordinaire ouvre sa bouche le jour, le cactus la garde fermée en permanence pendant la journée. En échange, il fait ses réserves d'air pendant la nuit.
Vous rentrez de voyage et allez voir les plantes de votre appartement. Près de la fenêtre, la plante verte a les feuilles toutes retombées, et la terre est complètement sèche.
Juste à côté, le petit cactus est exactement dans le même état qu'avant votre départ. Sa terre est encore plus sèche, mais il ne montre aucun signe de flétrissement.
On pourrait se dire : c'est parce qu'il a fait des réserves d'eau. Mais la vraie question, c'est plutôt : comment fait-il pour ne pas épuiser ces réserves ?
Il y a deux grandes raisons
Les feuilles des plantes possèdent de petites bouches qui laissent entrer et sortir l'air. Les ouvrir laisse aussi échapper l'eau. Le cactus garde ces bouches fermées justement au moment le plus sec : la journée.
S'il gardait la bouche fermée tout le temps, aucune matière première n'entrerait. Le cactus ouvre donc sa bouche la nuit, quand l'air est frais, pour capter du dioxyde de carbone, qu'il transforme en acide et stocke dans son corps.
Ces deux mécanismes n'en forment en réalité qu'un seul. Voyons cela dans l'ordre.
La « bouche » des plantes laisse forcément échapper l'eau
À la surface des feuilles se trouvent d'innombrables petites bouches, invisibles à l'œil nu. Ce sont les stomates. C'est par là que la plante capte le dioxyde de carbone pour fabriquer du sucre grâce à la lumière.
Mais ces petits trous ont un inconvénient de taille : le chemin qu'emprunte le dioxyde de carbone pour entrer est le même que celui par lequel la vapeur d'eau s'échappe. L'intérieur de la feuille étant humide, dès que la bouche s'ouvre, l'eau commence à fuir.
L'air sec du jour accélère encore cette fuite. Plus la température est élevée, plus l'air peut absorber de vapeur d'eau. Autrement dit, la plante perd le plus d'eau justement au moment où la lumière est la plus forte. Une plante ordinaire compense cette perte grâce à l'eau puisée par ses racines. Dans le désert, cet approvisionnement n'existe pas.
Le cactus a donc fait un choix radical : fermer la bouche le jour. La figure 1 montre à gauche la nuit, à droite le jour.
La nuit, l'air est stocké sous forme d'« acide »
Si la bouche reste fermée le jour, le dioxyde de carbone, matière première de la photosynthèse, ne peut pas entrer. La lumière seule ne suffit pas à fabriquer du sucre sans cette matière première.
Le cactus a donc décalé son horaire. Il ouvre ses stomates la nuit, quand le soleil s'est couché et que l'air se rafraîchit et s'humidifie. En captant la même quantité de dioxyde de carbone à ce moment-là, il perd beaucoup moins d'eau.
Mais le dioxyde de carbone capté ne peut pas rester tel quel dans le corps : sous forme gazeuse, il finirait par ressortir. Le cactus le fixe donc à une substance de son organisme pour le transformer en acide malique. Dissous dans un liquide, cet acide peut être stocké dans des sacs à l'intérieur des cellules.
Au lever du jour, le cactus referme hermétiquement ses stomates. Il extrait alors lentement le dioxyde de carbone de l'acide malique accumulé, et fait tourner sa photosynthèse en circuit fermé, sans échanger d'air avec l'extérieur. Il accomplit ainsi tout le travail d'une journée sans ouvrir la bouche. Ce fonctionnement en horaire inversé s'appelle le métabolisme acide crassulacéen.
Les plantes dotées de ce mécanisme accumulent de l'acide pendant la nuit. L'acidité est donc maximale à l'aube, puis diminue au fil de la journée à mesure que l'acide est consommé. L'ananas utilise, lui aussi, le même procédé.
Les épines du cactus sont considérées comme des feuilles transformées. Plus une feuille est plate et large, mieux elle capte la lumière — mais plus elle laisse échapper d'eau. En la réduisant à une épine, presque toutes les sorties d'eau disparaissent. C'est la tige, devenue épaisse, qui prend alors en charge la captation de la lumière.
En résumé
Si le cactus ne meurt pas, ce n'est pas seulement parce qu'il stocke beaucoup d'eau. La réponse tient dans ce décalage temporel : bouche fermée le jour sec, ouverte la nuit humide. On pourrait dire que c'est une plante qui a renoncé à faire coïncider lumière et matière première au même moment, pour mieux préserver son eau.
Fermé le jour, ouvert la nuit.
Le cactus n'a pas réduit sa consommation d'eau : il a décalé le moment où il la perd.
Côté transport de l'eau, comment les arbres font-ils monter l'eau jusqu'à 100 mètres de haut ? aborde l'envers du même sujet. Pour la réponse côté animaux, voyez comment le chameau peut-il marcher des jours sans boire ?, et pour la rigueur du désert lui-même, pourquoi le désert, si chaud le jour, devient-il glacial la nuit ?. Sur la sortie d'eau par les feuilles, pourquoi la forêt est-elle plus fraîche que la ville ? en parle aussi.
- Procurez-vous un petit pot de cactus (ou de plante grasse) et un pot de plante verte de taille comparable. Arrosez-les de la même quantité d'eau, puis videz les coupelles.
- Pesez chaque pot sur une balance de cuisine et notez le résultat sur papier. Placez-les ensuite côte à côte, près de la même fenêtre.
- Pesez-les à nouveau tous les trois jours, à la même heure, et notez la perte de poids. Au bout de deux semaines environ, la différence de rythme devient nette.
La majeure partie du poids perdu correspond à l'eau évaporée de la surface du sol et des feuilles. Côté cactus, la courbe devrait rester presque plate. Menez l'expérience en veillant à ne pas affaiblir les plantes.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de lycée (biologie de base et biologie)
- Lycée+Approfondissement de lycée ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, du domaine de la physiologie végétale universitaire
- RechercheSujet non encore établi comme « acquis » même à l'université, objet de recherches en cours
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Stomate : petit pore à la surface des feuilles et des tiges. C'est à la fois l'entrée du dioxyde de carbone et la sortie de la vapeur d'eau. Deux cellules situées de part et d'autre en règlent l'ouverture.
- Transpiration : sortie d'eau du corps de la plante sous forme de vapeur. Elle contribue aussi à la force qui fait monter l'eau depuis les racines.
- Métabolisme acide crassulacéen (CAM) : mécanisme qui stocke le dioxyde de carbone sous forme d'acide la nuit, pour l'extraire et l'utiliser dans la photosynthèse le jour. On l'observe chez les cactus et les crassulacées.
- Acide malique : acide que l'on trouve aussi dans les fruits. Dans ce mécanisme, il sert à stocker temporairement le dioxyde de carbone.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de fois plus d'eau pour fabriquer le même corps ?
La quantité d'eau nécessaire pour construire son corps varie énormément selon les espèces. Comparons une plante ordinaire et un cactus, en imaginant qu'on les fasse pousser jusqu'au même poids.
| Eau utilisée par une plante ordinaire pour fabriquer 1 gramme de matière sèche | environ 500 grammes |
| Eau utilisée par un cactus pour fabriquer le même gramme | environ 50 grammes |
| Poids du corps qu'on veut faire pousser ici | 1000 grammes |
| Une baignoire familiale | environ 200 litres |
| Rapport entre les deux | 500 ÷ 50 = 10 |
| Eau utilisée par la plante ordinaire (en grammes) | 500 × 1000 = 500000 |
| Conversion en litres | 500000 ÷ 1000 = 500 |
| Eau utilisée par le cactus (en grammes) | 50 × 1000 = 50000 |
| Conversion en litres | 50000 ÷ 1000 = 50 |
| Nombre de baignoires pour la plante ordinaire | 500 ÷ 200 = 2,5 |
Pour fabriquer le même kilogramme de matière, une plante ordinaire a besoin de deux baignoires et demie, le cactus d'un quart de baignoire seulement. Dans les régions où il pleut rarement, cette différence fait toute la différence entre survivre et mourir. Ces chiffres sont des ordres de grandeur qui varient fortement selon l'espèce et le milieu.
LycéeLycée+Pourquoi la perte d'eau est-elle plus faible la nuit ?
LycéeLa vitesse à laquelle l'eau s'échappe par les stomates dépend de l'écart de vapeur d'eau entre l'intérieur de la feuille et l'air extérieur. Plus l'écart est grand, plus l'eau s'échappe vite.
Lycée+La quantité de vapeur d'eau que l'air peut contenir augmente rapidement avec la température. L'air sec du jour offre donc une grande capacité d'absorption encore inoccupée. La nuit, la température baisse, cette capacité diminue, et l'humidité augmente. Pour la même ouverture de stomate, la perte d'eau est donc bien plus faible.
UniversitéOù stocker l'acide, et à quel prix
L'acide malique fabriqué la nuit est stocké dans une grande poche cellulaire, la vacuole. On sait que la vacuole, à l'aube, est fortement acidifiée. Ce mécanisme a toutefois un coût : la quantité d'acide stockable est plafonnée par la taille de la vacuole, ce qui limite la quantité de dioxyde de carbone captée par jour. C'est probablement pour cette raison que les cactus, même avec suffisamment d'eau, poussent moins vite que d'autres plantes. Survivre à la sécheresse et pousser vite semblent difficilement conciliables.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Combien de fois est-il apparu ? Ce mécanisme se retrouve, séparément, chez des groupes de plantes très éloignés les uns des autres. Le nombre de fois où il est réapparu au cours de l'évolution continue d'être recompté.
- Le signal de bascule. Certaines plantes pratiquent normalement une photosynthèse classique et basculent vers ce mécanisme en cas de sécheresse. Le détail du signal qui déclenche ce basculement reste en cours d'élucidation.
- Application aux cultures. Des recherches se poursuivent pour doter des cultures des terres arides de cette propriété. La difficulté est de concilier cela avec la vitesse de croissance.
Le contenu de cet article reflète donc « l'état actuel des connaissances ». La façon dont les plantes composent avec l'eau reste un sujet susceptible d'évoluer.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie concernée de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ― structure et fonctions des plantes | Stomates, transpiration, matière première de la photosynthèse |
| Lycée | Biologie de base / biologie ― métabolisme et photosynthèse | Ordre de la captation et de la fixation du dioxyde de carbone |
| Lycée+ | Biologie approfondie ― réponses des plantes à l'environnement | Pourquoi la perte d'eau est plus faible la nuit |
| Université | Physiologie végétale, écologie | Coût du stockage d'acide dans la vacuole et lenteur de croissance |
| Recherche | Physiologie moléculaire végétale, agronomie | Signal de basculement, application aux cultures des terres arides |
| ― | Vie quotidienne | Fréquence d'arrosage des pots, choix de l'emplacement |
- Taiz & Zeiger (dir.), « Plant Physiology » (éd. Baifukan) ― chapitres sur l'ouverture des stomates, la transpiration et la fixation du carbone en photosynthèse
- Osmond, C. B., "Crassulacean acid metabolism: a curiosity in context", Annual Review of Plant Physiology, 1978
- Nobel, P. S., "Remarkable Agaves and Cacti", Oxford University Press, 1994
- Borland, A. M. et al., "Exploiting the potential of plants with crassulacean acid metabolism for bioenergy production on marginal lands", Journal of Experimental Botany, 2009
※Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Les méthodes de culture varient fortement selon l'espèce et le milieu. Adaptez l'arrosage réel aux caractéristiques propres de vos plantes.