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De la nuit au jour : comment les plantes utilisent-elles intelligemment le dioxyde de carbone sur deux périodes ?
Dans les environnements secs, certaines plantes ont développé une voie unique de fixation du carbone appelée métabolisme acide crassulacé (CAM). Cette méthode de photosynthèse permet aux plantes d’effectuer la photosynthèse pendant la journée et d’effectuer des échanges gazeux la nuit, utilisant ainsi intelligemment le dioxyde de carbone (CO2). Ce processus démontre non seulement la sagesse de la nature, mais révèle également la capacité des plantes à s'adapter aux environnements extrêmes.
CAM est un mécanisme de photosynthèse adaptable qui permet aux plantes de survivre dans des environnements pauvres en eau et d'utiliser efficacement les ressources limitées en dioxyde de carbone.
Contexte historique
L'annotation de CAM remonte à 1804, lorsque les scientifiques ont observé la respiration des plantes et leur acidité. Avec l'approfondissement de la recherche scientifique, les recherches connexes ont progressivement évolué et vers 1940, le terme « métabolisme acide des plantes succulentes » a été introduit pour la première fois dans la communauté scientifique. Cette découverte repose principalement sur l’étude d’une variété de plantes, notamment de la famille des Nautilus (Crassulaceae) à laquelle appartiennent les plantes succulentes.
Aperçu des cycles doubles
Le processus CAM peut être divisé en deux parties : la nuit et le jour. La nuit, les stomates de la plante s'ouvrent, permettant au dioxyde de carbone de pénétrer et de fixer les acides organiques par réaction avec le phosphate d'énol (PEP). Ces acides organiques seront stockés dans la vacuole pour une utilisation ultérieure. En revanche, pendant la journée, les stomates de la plante se ferment pour retenir l'humidité, puis libèrent les acides organiques stockés, qui sont ensuite reconvertis en dioxyde de carbone et entrés dans le cycle de Calvin de photosynthèse.
Quels sont les avantages
Les plantes utilisant la CAM peuvent garder la plupart des stomates fermés pendant la journée, réduisant ainsi considérablement la perte d'eau due à l'évapotranspiration. Ceci est crucial pour les plantes qui vivent dans des environnements secs, car cela leur permet de continuer à croître même lorsque l’eau est extrêmement limitée. En revanche, les plantes utilisant uniquement la fixation du carbone C3 perdront environ 97 % de l’eau absorbée par les racines, ce qui constitue sans aucun doute un processus coûteux.
Comparaison des métabolismes CAM et C4
Bien que CAM et C4 soient conçus pour augmenter l'efficacité de RuBisCO, ils diffèrent par la manière dont ils concentrent le carbone dans le temps et dans l'espace. Le CAM fournit du dioxyde de carbone pendant la journée, tandis que le C4 augmente structurellement la concentration de dioxyde de carbone. De plus, certaines plantes peuvent même effectuer simultanément la photosynthèse C4 et CAM dans la même feuille, ce qui signifie qu'elles peuvent ajuster de manière flexible leur mécanisme de fixation du carbone en fonction des changements environnementaux.
Processus biochimiques
Dans les usines utilisant la CAM, les processus de stockage et de réduction du CO2 doivent être contrôlés avec précision dans l'espace et dans le temps. La nuit, les plantes ouvrent leurs stomates et le dioxyde de carbone pénètre dans les cellules. Après avoir été catalysé par une série d'enzymes, des acides organiques se forment et sont stockés dans les vacuoles. Le jour venu, les stomates se ferment et les acides organiques stockés sont convertis en dioxyde de carbone, qui participe ensuite au cycle de Calvin pour créer la synthèse d'énergie et de glucides.
Utilisation diversifiée des plantes
La mesure dans laquelle les plantes utilisent la CAM varie. Certaines plantes, telles que les « plantes CAM fortes », s'appuient entièrement sur ce mécanisme pour la photosynthèse, tandis que d'autres utilisent sélectivement le mécanisme CAM ou C3/C4 en fonction des changements environnementaux. Cela montre que l’adaptabilité et les stratégies de survie des plantes sont diverses et flexibles.
Les merveilles de la CAM aquatique
Étonnamment, la photosynthèse CAM n'existe pas seulement dans les plantes terrestres, mais ce mécanisme peut également être retrouvé dans les plantes aquatiques. Le dioxyde de carbone se diffuse beaucoup plus lentement dans l'eau que dans l'air, c'est pourquoi certaines plantes aquatiques choisissent de stocker le dioxyde de carbone la nuit pour résister à la concurrence dans l'eau. Ce phénomène est particulièrement évident en été, lorsque la demande en dioxyde de carbone dans l'eau augmente et que le captage nocturne du CO2 devient encore plus important.
Écologie et distribution taxonomique
Les plantes de CAM sont principalement réparties parmi les plantes succulentes et les épiphytes, qui présentent des stratégies de survie extraordinaires face à la sécheresse. De nombreux arbres, comme Clusia, présentent également une double capacité de fixation du carbone, ce qui leur permet de changer librement de mécanisme photosynthétique en fonction des changements de l'environnement. La recherche montre que la CAM a évolué à plusieurs reprises, avec plus de 16 000 espèces de plantes présentant jusqu’à présent cette caractéristique.
Dans le processus d'adaptation environnementale, nous ne pouvons nous empêcher de penser : comment ces plantes peuvent-elles maximiser l'utilisation de ressources limitées pour obtenir des avantages dans la compétition pour la survie ?
