Zones et mécanisme d'absorption de l'eau par les végétaux

1. La structure d'une jeune racine

Si l'on fait germer des graines de maïs ou de haricot sur du papier buvard humide, on observe de jeunes racines. De l'extrémité vers la base, on distingue :

• la coiffe : un petit capuchon qui protège l'extrémité de la racine quand elle s'enfonce dans le sol ;
• la zone de division (ou méristème) : les cellules s'y multiplient activement ;
• la zone d'élongation (zone lisse) : les cellules s'allongent, ce qui fait avancer la racine ;
• la zone pilifère : elle porte un fin duvet blanc de poils absorbants ;
• la zone subéreuse (ou zone des ramifications) : les poils sont morts, la surface devient imperméable (liège ou subér) ; les racines secondaires y prennent naissance.

2. La zone pilifère est la zone d'absorption

Expérience. On place une jeune plante dans un tube rempli d'eau, recouverte d'une fine couche d'huile pour empêcher l'évaporation. On note le niveau de l'eau.

• Si seule l'extrémité de la racine (coiffe et zone d'élongation) plonge dans l'eau, le niveau ne baisse presque pas et la plante flétrit.
• Si la zone pilifère plonge dans l'eau, le niveau baisse régulièrement et la plante reste turgescente.
• Si l'on recouvre la zone pilifère de vaseline, la plante flétrit.

Conclusion. L'eau est absorbée essentiellement au niveau de la zone pilifère, grâce aux poils absorbants.

3. Le poil absorbant, une cellule spécialisée

Un poil absorbant est une seule cellule de l'assise pilifère (l'épiderme de la racine) qui s'est très allongée vers l'extérieur. Il présente des caractères favorables à l'absorption :

• une paroi mince, faite de cellulose et de pectine, perméable à l'eau et aux ions ;
• une grande vacuole contenant un suc riche en substances dissoutes ;
• un noyau et un cytoplasme situés près de l'extrémité ;
• une vie courte (quelques jours) : les poils se renouvellent en permanence à mesure que la racine s'allonge.

Les poils absorbants, très nombreux et très fins, se glissent entre les particules du sol et multiplient énormément la surface de contact entre la racine et la solution du sol. C'est pourquoi, lorsqu'on repique un plant de riz ou de tomate, il faut garder une motte de terre autour des racines : arrachés à nu, les poils sont détruits et le plant fane.

4. Le mécanisme : l'osmose

L'osmose est le passage de l'eau à travers une membrane semi-perméable (qui laisse passer l'eau mais pas certaines substances dissoutes), du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré.

Expérience de l'osmomètre. On ferme un entonnoir par une membrane semi-perméable (cellophane), on le remplit d'eau sucrée et on le plonge dans l'eau pure. Le niveau monte dans le tube de l'entonnoir : l'eau pure entre vers la solution sucrée.

On compare les milieux :

• un milieu hypotonique est moins concentré qu'un autre ;
• un milieu hypertonique est plus concentré ;
• deux milieux isotoniques ont la même concentration : il n'y a pas de passage net d'eau.

La pression osmotique P d'une solution mesure sa capacité à attirer l'eau par osmose. Pour une solution diluée :

P = i · C · R · T

avec C la concentration molaire (mol/L), R = 0,082 L·atm·mol^-1·K^-1, T la température absolue en kelvins (T = θ + 273), et i le nombre de particules libérées par chaque molécule dissoute (i = 1 pour le saccharose ou le glucose, i = 2 pour le chlorure de sodium NaCl, qui se dissocie en Na^+ et Cl^-). P est alors en atmosphères (atm).

5. Turgescence et plasmolyse

On observe au microscope un fragment d'épiderme d'oignon rouge (la vacuole colorée se voit bien) placé dans différents liquides :

• dans l'eau pure (milieu hypotonique) : l'eau entre dans la vacuole, qui gonfle et plaque le cytoplasme contre la paroi : la cellule est turgescente ;
• dans une solution salée concentrée (milieu hypertonique) : l'eau sort de la vacuole, qui se rétracte ; le cytoplasme se décolle de la paroi : la cellule est plasmolysée ;
• si l'on remet la cellule plasmolysée dans l'eau pure, elle redevient turgescente : c'est la déplasmolyse.

Le jardin de Fatoumata s'explique : le sel a rendu la solution du sol hypertonique par rapport au suc des poils absorbants. Non seulement l'eau n'entrait plus dans la racine, mais elle en sortait : les cellules se sont plasmolysées et la plante a flétri.

6. Pression de turgescence et force de succion

Quand la vacuole gonfle, elle pousse sur la paroi, qui résiste : la paroi exerce en retour une pression de turgescence P_t qui s'oppose à l'entrée d'eau. La capacité réelle d'une cellule à attirer l'eau est donc sa force de succion S :

S = P_o - P_t

où P_o est la pression osmotique du suc vacuolaire.

• Dans une cellule plasmolysée, P_t = 0, donc S = P_o (succion maximale).
• Dans une cellule pleinement turgescente, P_t = P_o, donc S = 0  : elle n'absorbe plus d'eau.

Règle. L'eau se déplace toujours d'un milieu (ou d'une cellule) à force de succion faible vers un milieu à force de succion plus forte. Pour la solution du sol, qui n'a pas de paroi, la force de succion est égale à sa pression osmotique.

Le trajet de l'eau dans la racine. Dans la racine, la force de succion augmente depuis le poil absorbant jusqu'aux cellules proches du cylindre central. L'eau passe donc de proche en proche : solution du sol → poil absorbant → cellules de l'écorce (parenchyme cortical) → endoderme → cylindre central → vaisseaux du bois, où elle forme la sève brute. Ce trajet dans la racine est le transit horizontal, que nous étudierons avec la circulation de la sève.

7. Des conditions nécessaires à l'absorption

L'absorption de l'eau exige que le sol contienne de l'eau disponible, que sa solution reste peu concentrée (les sols salés des zones littorales, comme certaines rizières de mangrove, posent ce problème aux cultures non adaptées), et que les racines soient vivantes et bien aérées : dans un sol gorgé d'eau sans oxygène, les racines respirent mal et absorbent moins bien.