Phototropisme, gravitropisme

Chacun sait que les plantes poussent vers la lumière, c'est le phototropisme et que les racines poussent vers le bas, c'est le gravitropisme ou, anciennement, géotropisme. L’arbre serait programmé génétiquement pour s’élancer vers la lumière et les arbres seraient capables de contrôler leur forme en induisant des précontraintes (c'est du vitalisme ou du finalisme encore très présent dans le subconscient des scientifiques). En réalité, les plantes poussent vers le haut, là où il y a de la lumière. Ce sont uniquement les extrémités des branches qui poussent vers le haut. Les parties lignifiées fléchissent constamment, leur redressement est une illusion puisque les branches sont systématiquement élaguées pour ne pas gêner le passage sous la ramure des arbres.

Lorsqu'on renforce une poutre, le renfort n'est soumis à aucune force. Par contre, lorsqu'on augmente la charge de la poutre après l'avoir renforcée, la flexion sera plus faible qu'en l'absence de renfort. Il en est de même pour les plantes en croissance. Les nouvelles cellules sont, en quelque sorte, des renforts. Mais, en même temps, elles alourdissent la plante, qui fléchit : c'est  l'arcure naturelle. Il y a, certes d'autres phénomènes comme la polymérisation qui provoque un retrait et, donc, une possibilité de mouvement, comme l'avait remarqué Darwin. Ce n'est possible qu'en l'absence de lignification comme chez les jeunes rameaux des arbres. Sauf exceptions, les branches ont une écorce sans chlorophylle, donc sans photosynthèse. L'éclairement local ne peut donc créer de dissymétrie et les "contraintes de croissance" ne peuvent redresser les arbres. Au contraire, l'arcure artificielle est utilisée pour créer une charpente permanente après le début de la lignification.

Croissance vers le haut (gravitropisme négatif)

Les feuilles transforment le carbone de l’air et l’eau montant du sol par capillarité ou osmose en hydrates de carbone, puis en matière plastique (cellulose, lignine…) grâce à la photosynthèse.
Ce sont les rayons diffusés par l’atmosphère, responsables du ciel bleu, riches en ultraviolets, qui font pousser les plantes car ils sont plus énergétiques que  les rayons directs  du soleil, riches en infrarouges. Si c’étaient les rayons directs du soleil qui faisaient pousser les plantes, elles seraient inclinées vers le sud dans les régions septentrionales.

Croissance vers la lumière (phototropisme positif)

image024

Les branches semblent se redresser vers leurs extrémités. En fait, elles poussent vers le haut mais fléchissent vers le bas car les rameaux sont initialement moins inclinés et même souvent verticaux comme dans le cas de la réitération où la lumière arrive également de toutes les directions, à travers le houppier.
Les plantes poussent en transformant le carbone de l'air en diverses matières plastiques comme la cellulose et la lignine qui, en polymérisant, ont un retrait.

On peut certes observer des rameaux qui se redressent mais ils sont généralement verts ou feuillus et absorbent donc l'énergie lumineuse par photosynthèse. Lorsqu'ils sont inclinés ils recoivent plus d'énergie du côté ciel et créent donc plus de matière polymérique. Le retrait de polymérisation peut exercer une traction du côté supérieur du rameau qui va se redresser. Cette courbure est plus importante à l'extrémité des branches où l'épaisseur des cernes étant proche du rayon du rameau, l'effet du retrait de polymérisation est relativement plus important. Le retrait est plus faible dans la partie inférieure du cerne car, recevant moins de lumière, il polymérise moins vite. Ce processus ne peut se produire en présence d'écorce, généralement inerte. Elle arrête la lumière, ce qui empêche la photopolymérisation. Elle est analogue à celle qu'utilisent les dentistes qui font polymériser le plastique destiné à obturer les caries.

Signalons une autre théorie en contradiction avec le principe de conservation de l'énergie: "Dépourvue de système nerveux, la plante ne décide pas de tourner ses feuilles vers la lumière, elle y parvient parce que les cellules situées du côté sombre des tiges s’accroissent plus vite que les cellules situées face à la lumière ce qui ploie la tige vers la lumière." Ce serait plutôt l' inverse.

A la limite d'une forêt, le long d’un cours d’eau ou près d’un immeuble, on  constate aussi que les arbres sont inclinés vers la lumière. Ce n'est pas parce qu'ils sont attirés par la lumière mais parce que les branches du côté de la forêt, ayant moins de lumière, poussent moins vite. L'arbre, étant plus lourd côté lumière, va donc fléchir de ce côté.

 

Arbre pleureur (gravitropisme positif)

image006

Les rameaux n’arrivent pas à se redresser, peut-être parce que le poids des parties vertes est trop important et/ou que l'élancement des branches est trop important, c'est-à-dire qu'elles s'allongent plus qu'elles ne grossissent. Il se peut aussi que la module d'élasticité soit plus faible, dû à une lignification tardive.

Bord_du_lac

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Flexion des branches

Sur la photo ci-dessus, les branches sont pratiquement droites et plient sous leur poids au fur et à mesure de leur croissance. Pour une même espèce, les branches peuvent avoir des formes différentes, dépendant des conditions environnementales. A droite, les branches sont courbes. Les branches inférieures fléchissent et présentent le point d'inflexion prévu par un modèle numérique ne faisant appel qu'à l'élasticité classique et à la notion de croissance comme le prouve l'araucaria araucana du Jardin des Plantes ci-dessous :

19618465_pD_tail Araucaria
Les branches ont tendance à pousser vers le haut, mais, leur poids augmentant avec leur croissance, elles fléchissent vers le bas selon les lois de la pesanteur et de la mécanique. C’est pourquoi les vieilles branches doivent être soutenues par des béquilles car leur épaississement ne produit pas de redressement. On le voit rarement car les branches basses sont élaguées naturellement en forêt et artificiellement en ville.

image015

On observe sur la photo ci-contre le phénomène de réitération à l’extrémité de la grande branche horizontale. Elle est suffisamment raide pour que la dernière branche, de faible poids et soumise à un éclairement pas particulièrement orienté à travers le houppier, reste verticale.
Après avoir marcotté ou en s’appuyant sur le sol, une branche reprend sa croissance vers le haut puis fléhit sous son propre poids.

 

 

 

 

 

Ceci peut d’ailleurs se retrouver par le calcul (voir l’article « Forme d’une branche » sur le même site avec le calcul complet en pièce jointe ainsi que l’article en anglais « Equilibrium shape of a tree branch ») :

image018

On croit souvent que les arbres se redressent; cependant, les branches ne se redressent pas vraîment comme on peut le voir sur les vieilles branches qui ont besoin d'un support pour ne pas finir par toucher le sol.

On peut le voir aussi sur les cocotiers, ces faux arbres dont les palmes reçoivent plus de lumière du côté mer ce qui les alourdit et les fait pencher du même côté. Ils poussent vers le haut mais continuent à pencher sous leur poids croissant, ce qui explique leur forme particulière où l'extrémité est quasi-verticale.

Cocotier

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une vieille branche peut être fortement courbée mais on ne peut la redresser sans la casser: sa déformation est permanente. Ce n'est dû ni à la déformation plastique ni à la viscoélasticité mais à la combinaison de la croissance en épaisseur et du fléchissement dû à l'augmentation de poids de la branche. Ceux qui mesurent des déformations et en déduisent les contraintes se trompent car même s'il n'y a ni plasticité ni viscoélasticité, il n'y a pas proportionnalité entre contrainte et déformation car la branche s'est épaissie et alourdie simultanément. La confusion fréquente entre contrainte et déformation vient de ce que strain-gage, capteur de déformation, a été traduit en jauge de contrainte.  La croissance en épaisseur produit des cellules végétales libres de toute contrainte qui augmentent la raideur de la branche sans provoquer de redressement mais, au contraire, une flexion supplémentaire due à l'alourdissement de la branche. Peut-être aussi un retrait de polymérisation qui est vraisemblablement peu différent sur les fibres supérieure et inférieure. Je n'en ai encore trouvé aucun chiffrage.

La viscoélasticité du bois existe certes mais est faible puisque les poutres de bois des maisons du moyen-âge ne sont pas particulièrement fléchies. Les vieilles branches fléchissent à cause de leur poids croissant, pas à cause de la viscoélasticité.

L'impression de redressement provient de ce que l'extrémité de la branche pousse vers le haut, tout en étant plus ou moins inclinée selon la symétrie de l'éclairement reçu. L'illusion du redressement provient de ce que les botanistes appellent la réitération ou repousse des arbres (voir photo plus haut) c'est-à-dire que des branches apparaissant le long d'un tronc horizontal poussent verticalement et se comportent comme des arbres. En fait, toutes les branches poussent verticalement mais plient sous leur propre poids sauf si elles partent d'une branche suffisamment épaisse qui ne fléchit pratiquement plus. D'ailleurs, si les arbres ont un tronc c'est, sauf pour certains conifères, parce que les branches basses sont élaguées, soit naturellement, soit par les animaux ou les hommes. Le tronc est la branche la plus verticale.

Croissance d'un peuplier

Des expériences ont été faites par des spécialistes sur des jeunes peupliers montrant un redressement. Malheureusement il n'y a qu'une seule photo alors qu'il aurait fallu en faire au moins deux à un an d'intervalle de préférence lorsque les feuilles sont tombées.

J'ai fait une expérience un peu différente mais on ne constate aucun redressement, bien au contraire, le rameau fléchit constamment sous son poids croissant comme le prouvent les photos ci-après:

4_images

On remarque que l'extrémité de la branche a tendance à pousser verticalement mais s'incline, entraînée par le fléchissement de la branche dont le poids croît constamment. Dix mois après, comme diraient les vitatistes, la branche cherche "désepérément" à se redresser mais elle pousse vers le haut et fléchit sous son poids croissant.

Flexibilit_

La branche n'ayant pas survécu trois photos ont été prises, à plat, avec la flexion d'un côté et de l'autre. On constate que la courbure ne disparaît pas malgré la grande flexibilité résiduelle.

Courbage des cannes

Le courbage des cannes et des manches de parapluie en noisetier est obtenu industriellement par chauffage à la vapeur rendant le bois plastique. On peut aussi, en étant patient, l'obtenir grâce au phénomène de croissance en maintenant courbe un rameau avec un fil de fer pendant quelques années. On constante en enlevant le fil de fer que la courbure est permanente. Ce n'est pas dû à la plasticité ou à la viscoélasticité du bois comme on le croit parfois mais à l'augmentation d'épaisseur du rameau. La flexion est maintenue par le bois supplémentaire.

Viscoélasticité

Ces poutres, à Venise, tiennent toujours, de même que les vitraux des cathédrales gothiques bien que le verre soit visqueux:

Venise

Dans le Marais à Paris, on trouve aussi de vieilles poutres: Marais___Paris

Après trois siècles d'existence, le pistachier du Jardin des plantes ne s'est pas redressé. Il a même besoin de deux béquilles :

DSC01889

 

La différence entre le comportement d'une poutre en bois et celui d'une branche est le phénomène de croissance comme je l'ai mis en équations dans ma Note à l"Académie.

Article récent sur le sujet me citant.

 

 

 

 

 

 

 

 

Catalpa horizontal

Le catalpa a de la peine à pousser vers le haut, comme celui de Fontainebleau.