Chaque jour, environ un quadrillion de gallons d’eau sont silencieusement pompés du sol vers la cime des arbres. La vie végétale de la Terre accomplit cet exploit stupéfiant en utilisant uniquement la lumière du soleil. Il faut de l’énergie pour soulever tout ce liquide, mais combien était une question ouverte jusqu’à cette année.
Des chercheurs de l’UC Santa Barbara ont maintenant calculé l’énorme quantité d’énergie utilisée par les plantes pour déplacer l’eau à travers leur xylème du sol à leurs feuilles. Ils ont découvert qu’en moyenne, il s’agissait de 14 % supplémentaires de l’énergie que les plantes récoltaient grâce à la photosynthèse. A l’échelle mondiale, cela est comparable à la production de toute l’hydroélectricité de l’humanité. Leur étude, publiée dans le Journal of Geophysical Research: Biogéosciencesest le premier à estimer la quantité d’énergie utilisée pour remonter l’eau jusqu’au couvert végétal, à la fois pour les plantes individuelles et dans le monde entier.
« Il faut de l’énergie pour déplacer l’eau à travers le xylème de l’arbre. Il faut de l’énergie. Nous quantifions la quantité d’énergie que cela représente », a déclaré le premier auteur Gregory Quetin, chercheur postdoctoral au Département de géographie. Cette énergie s’ajoute à ce qu’une plante produit via la photosynthèse. « C’est de l’énergie qui est récoltée passivement de l’environnement, juste à travers la structure de l’arbre. »
La photosynthèse nécessite du dioxyde de carbone, de la lumière et de l’eau. Le CO2 est largement disponible dans l’air, mais les deux autres ingrédients posent un défi : la lumière vient d’en haut et l’eau d’en bas. Ainsi, les plantes doivent amener l’eau (parfois à une distance considérable) là où se trouve la lumière.
Des plantes plus complexes accomplissent cela avec un système vasculaire, dans lequel des tubes appelés xylème amènent l’eau des racines aux feuilles, tandis que d’autres tubes appelés phloème déplacent le sucre produit dans les feuilles vers le reste de la plante. « Les plantes vasculaires développant du xylème sont une énorme affaire qui a permis aux arbres d’exister », a déclaré Quetin.
De nombreux animaux ont également un système vasculaire. Nous avons développé un système circulatoire fermé avec un cœur qui pompe le sang dans les artères, les capillaires et les veines pour fournir de l’oxygène et des nutriments autour de notre corps. « C’est une fonction pour laquelle de nombreux organismes paient cher », a déclaré la co-auteure Anna Trugman, professeure adjointe au Département de géographie. « Nous payons pour cela parce que nous devons faire battre notre cœur, et c’est probablement une grande partie de notre énergie métabolique. »
Les plantes pourraient aussi avoir développé des cœurs. Mais ils ne l’ont pas fait. Et cela leur permet d’économiser beaucoup d’énergie métabolique.
Contrairement aux animaux, les systèmes circulatoires des plantes sont ouverts et alimentés passivement. La lumière du soleil évapore l’eau qui s’échappe des pores des feuilles. Cela crée une pression négative qui tire l’eau en dessous. Les scientifiques appellent ce processus « transpiration ».
Essentiellement, la transpiration n’est qu’un autre moyen pour les plantes de récolter l’énergie du soleil. C’est juste que, contrairement à la photosynthèse, cette énergie n’a pas besoin d’être traitée avant de pouvoir être utilisée.
Les scientifiques comprennent assez bien ce processus, mais personne n’avait jamais estimé la quantité d’énergie qu’il consomme. « Je ne l’ai vu mentionné spécifiquement comme énergie que dans un seul article », a déclaré le co-auteur Leander Anderegg, « et c’était pour dire que » c’est un très grand nombre. Si les plantes devaient payer pour cela avec leur métabolisme, elles ne fonctionnerait pas.' »
Cette étude particulière est née d’une simple curiosité. « Quand Greg [Quetin] et j’étais tous les deux étudiants diplômés, nous lisions beaucoup sur la transpiration des plantes », se souvient Anderegg, maintenant professeur adjoint au Département d’écologie, d’évolution et de biologie marine. « À un moment donné, Greg a demandé : « Combien de travail les plantes font-elles ? juste soulever de l’eau contre la gravité ? ‘ »
« J’ai dit: ‘Je n’en ai aucune idée. Je me demande si quelqu’un le sait?’ Et Greg a dit: « Nous pouvons sûrement calculer cela. » «
Environ une décennie plus tard, ils sont revenus et ont fait exactement cela. L’équipe a combiné une base de données mondiale sur la conductance des plantes avec des modèles mathématiques d’ascension de la sève pour estimer la quantité d’énergie que la vie végétale mondiale consacre au pompage de l’eau. Ils ont découvert que les forêts de la Terre consomment environ 9,4 pétawattheures par an. C’est à égalité avec la production hydroélectrique mondiale, soulignent-ils rapidement.
Cela représente environ 14,2 % de l’énergie absorbée par les plantes par la photosynthèse. Il s’agit donc d’une part importante d’énergie dont les plantes bénéficient mais qu’elles n’ont pas à traiter activement. Cette énergie gratuite passe aux animaux et aux champignons qui consomment les plantes, et aux animaux qui les consomment, et ainsi de suite.
Étonnamment, les chercheurs ont découvert que la lutte contre la gravité ne représente qu’une infime partie de ce total. La majeure partie de l’énergie sert simplement à surmonter la résistance de la propre tige d’une plante.
Ces découvertes n’ont peut-être pas beaucoup d’applications immédiates, mais elles nous aident à mieux comprendre la vie sur Terre. « Le fait qu’il existe un flux énergétique mondial de cette ampleur que nous n’avions pas quantifié est légèrement choquant », a déclaré Quetin. « Cela ressemble à un concept qui a glissé entre les mailles du filet. »
Les énergies impliquées dans la transpiration semblent se situer entre les échelles examinées par différents scientifiques. C’est trop grand pour que les physiologistes des plantes puissent l’envisager et trop petit pour que les scientifiques qui étudient les systèmes terrestres s’en soucient, il a donc été oublié. Et ce n’est qu’au cours de la dernière décennie que les scientifiques ont collecté suffisamment de données sur l’utilisation de l’eau et la résistance du xylème pour commencer à traiter l’énergie de la transpiration à l’échelle mondiale, ont expliqué les auteurs.
Au cours de cette période, les scientifiques ont pu affiner l’importance de la transpiration dans les systèmes terrestres en utilisant de nouvelles observations et de nouveaux modèles. Elle affecte les températures, les courants d’air et les précipitations, et contribue à façonner l’écologie et la biodiversité d’une région. La puissance d’ascension de la sève est une petite composante de la transpiration globale, mais les auteurs soupçonnent qu’elle peut s’avérer remarquable compte tenu de l’énergie importante impliquée.
Nous n’en sommes encore qu’aux premiers jours et l’équipe admet qu’il y a beaucoup de travail à faire pour resserrer leurs estimations. Les plantes varient considérablement dans la façon dont leurs tiges sont conductrices de l’écoulement de l’eau. Comparez un genévrier rustique du désert avec un peuplier deltoïde, par exemple. « Un genévrier qui est très adapté à la sécheresse a une résistance très élevée », a déclaré Anderegg, « alors que les peupliers ne vivent que pour pomper l’eau ».
Cette incertitude se reflète dans les estimations des auteurs, qui se situent entre 7,4 et 15,4 pétawattheures par an. Cela dit, il pourrait atteindre 140 pétawattheures par an, bien que Quetin admette que cette limite supérieure est peu probable. « Je pense que cette incertitude met en évidence qu’il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur la biogéographie de la résistance des plantes (et dans une moindre mesure, la transpiration) », a-t-il déclaré. « C’est une bonne motivation pour poursuivre la recherche dans ces domaines. »
Gregory R. Quetin et al, Quantification de la puissance globale nécessaire à l’ascension de la sève chez les plantes, Journal of Geophysical Research: Biogéosciences (2022). DOI : 10.1029/2022JG006922