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La mécanique des arbres

La mécanique des arbres

Pourquoi les arbres ont la taille qu'ils ont ? Peut-on faire des arbres sans bois ? Pourquoi les feuilles sont plates ? Les arbres sont-ils sensibles ? Font-ils du bruit ? Ces questions pourraient sortir de la bouche d'enfants. Mais non, c'est dans les couloirs et les exposés d'un congrès international de biomécanique des plantes, à Clermont-Ferrand, qu'on les a entendues entre le 20 et le 24 août. C'était même la septième rencontre de ce type depuis 1994, organisée cette fois par la France avec le soutien de l'INRA, de l'université locale Blaise-Pascal et des écoles AgroParisTech.

"Le monde du végétal est un monde qu'on n'apprécie pas assez. On ne se pose pas assez de questions sur lui", indique George Jeronimidis, de l'université de Reading, en Grande-Bretagne. Il est l'un des "vétérans" de cette communauté de biomécanique fascinée par les prouesses "physiques" des arbres, des lianes, des vignes ou des simples plants de tomates. A bien y regarder, ces végétaux ne laissent pas de surprendre. Elles n'ont pas de muscles mais redressent leurs branches ou leur tronc si la neige ou les tempêtes les ont fait fléchir. Elles n'ont pas de doigts mais ont le sens du toucher, sentant quand on les pince ou quand il faut s'agripper à un support. Elles n'ont pas de cerveau mais savent repérer la gravité, s'adapter aux vents ou aux courants. Elles peuvent même changer de forme. Et ne pas faire n'importe quoi.

"On ne se rend pas compte de toute cette dynamique, car la plupart des processus en jeu sont lents. Mais quand on voit des films en accéléré, le mouvement est évident !", constate Arezki Boudaoud, du laboratoire de biologie de l'Ecole normale de Lyon. Tout le monde connaît l'exemple du mimosa pudique (ou sensible) qui recroqueville ses feuilles dès qu'on les touche. Ou bien la rapacité des plantes carnivores, qui, en un rien de temps, ferment leurs mâchoires pour gober les insectes. "Ces exemples ne sont pas des exceptions. Petit à petit, la communauté s'est convaincue qu'il y avait des mécanismes universels en jeu. Ce n'était pas totalement intuitif au départ", résume Bruno Moulia, de l'INRA à Clermont-Ferrand et coorganisateur de ce congrès. Pour faire parler les plantes, les chercheurs font preuve d'imagination. Âmes sensibles s'abstenir. "Aucun capteur de douleur n'a été identifié chez les plantes. "Sentir" une pression, le vent, un poids ne veut pas dire "avoir mal", précise Bruno Moulia. Prenez une Arabidopsis (arabette), une plante proche du colza ou de la moutarde dont les biologistes sont particulièrement friands pour leurs expériences. Donnez-lui quelques petites tapes sur la tête une ou deux fois par jour, et, après plusieurs semaines, comparez-le avec des congénères n'ayant pas subi ce traitement. Le groupe témoin a des tiges plus hautes et moins larges. Leur floraison et leurs racines sont plus abondantes que celles des Arabidopsis ayant été frappées... Plus "brutale", au laboratoire de l'INRA à Clermont-Ferrand, Nathalie Leblanc-Fournier a tordu les troncs de très jeunes peupliers une à deux fois par jour. Des effets sur le diamètre ont été observés, ainsi que des surexpressions génétiques. Mais, au bout de trois jours successifs, il était inutile de poursuivre le traitement, comme si la plante était désensibilisée. La laisser au repos lui redonne heureusement toutes ses sensations.

Sara Puijalon, au laboratoire LEHA de l'université de Lyon et du CNRS, a forcé des algues à pousser dans des courants de vitesse variables. Conclusion : les unes raccourcissent pour limiter leur traînée dans les courants forts. D'autres font moins de ramifications. D'autres encore préfèrent augmenter leur quantité de cellulose pour mieux résister à la casse. Inversement, ces végétaux aquatiques, en période de sécheresse, augmentent la dureté de leurs feuilles pour dégoûter les herbivores. Wendy Silk, de l'université de Californie, s'est intéressée à une autre stratégie, le changement de forme. Les longs rubans de Nereocystis luetkeana sont plats dans les forts courants et se gondolent en eaux calmes.

Même les racines réagissent au stress. Richard Whalley a ainsi fait pousser des riz dans des terres plus ou moins dures. Selon lui, ce n'est pas le manque d'eau qui influence le plus la croissance des racines, mais les propriétés mécaniques du sol.

Et nous passerons sur les tortures habituelles des biologistes qui inhibent des gènes, font des mutants, détruisent des cellules...

Comment toutes ces réponses au toucher, aux torsions, à l'eau sont-elles possibles ? Beaucoup reste à comprendre, mais, depuis vingt ans, d'importants progrès ont été effectués. Notamment parce que les chercheurs se sont organisés en groupe interdisciplinaire mêlant bien entendu les biologistes, les agronomes ou les techniciens du bois, mais aussi des physiciens, des mathématiciens, des mécaniciens ou des ingénieurs. Les concepts classiques de gènes, protéines ou cellules se mêlent à des mots nouveaux en biologie, comme force, pression, déformation, tension, gravité, élasticité, viscosité ou vitesse...

Les chercheurs savent maintenant comment une plante détecte la gravité et son inclinaison. Certaines cellules, les statocystes, possèdent de petits granules d'amidon, jouant le rôle du niveau pour maçon. Si la plante s'incline, ces grains roulent et touchent les parois cellulaires, déclenchant le signal de réaction.

Celui-ci peut déboucher sur une croissance asymétrique des cellules. Par exemple, pour redresser une tige, plus de cellules vont pousser sur la paroi inférieure que sur la paroi supérieure. Dans le cas d'un arbre, la technique est différente. C'est plutôt la forme des cellules qui change. Plus ou moins allongées dans un sens, la cellule et ses voisines jouent le rôle de vérins ou de haubans pour tirer l'arbre (on parle de bois de tension) ou pour le maintenir (on parle de bois de compression). "C'est comme le papier peint que vous collez sur un mur et que vous laissez sécher : il va être en tension", explique Bernard Thibaut (CNRS), du Laboratoire de mécanique et génie civil à Montpellier.

A une échelle encore plus petite, dans les années 2000, les chercheurs, dont Elizabeth Haswell (université de Washington), ont identifié et caractérisé des canaux mécanosensibles impliqués dans ces réactions en chaîne moléculaires. Seulement il y en a plusieurs familles, et on ne sait pas exactement comment ces cellules réagissent à la pression.

Bien des détails manquent donc encore pour écrire un scénario complet, depuis le stress ressenti sur une feuille jusqu'à la réaction globale de la plante, en passant par toutes les échelles intermédiaires.

Ainsi on cherche encore la manière dont un arbre sent le vent et la flexion de ses tiges. Par hasard, une équipe clermontoise a trouvé une piste, comme elle l'a expliqué au congrès. Un truc de plombier ! En fléchissant une tige (qui n'est qu'un tuyau pour un physicien), une impulsion hydraulique se propagerait à longue distance, informant la plante de l'existence d'un stress. A charge pour de minibaromètres cellulaires de la détecter...

Frank Telewski, de l'université du Michigan, voudrait, lui, résoudre le mystère des arbres drapeaux, qui semblent figés dans une posture élancée même sans vent. Est-ce un effet physique ou physiologique ? Est-ce que l'arbre se comporte comme une pâte visqueuse que le vent modèle à force de patience, ou bien est-ce que l'arbre s'adapte activement à cette contrainte ? Dans son laboratoire, le professeur vient de lancer une expérience pour trancher.

D'autres s'intéressent au risque d'embolie chez les arbres. En cas de sécheresse, l'eau contenue dans les cellules du bois s'évapore. Cela crée au sein de la cellule une tension qui s'accompagne de l'apparition de bulles d'air. Si ces bulles grossissent et emplissent les "veines" qui apportent l'eau aux feuilles, la circulation est interrompue : c'est l'embolie. Mais comment les bulles se propagent-elles ? Quelle stratégie l'arbre adopte-t-il pour se protéger ? Mystère. En passant, qui dit apparition/disparition de bulles dit cavitation, donc bruit, qu'il ne serait pas impossible de détecter, histoire peut-être de diagnostiquer la santé d'un arbre...

Si la compréhension fondamentale suffit largement au bonheur des chercheurs, ils ne rechignent pas à quelques applications. L'expérience des "claques" sur l'Arabidopsis a donné à Bruno Moulia l'idée de développer un système pour taper sur la tête des rosiers en serre afin de renforcer leur tige. Histoire d'éviter un affaissement du plus mauvais effet au moment de les offrir.

Hanns-Christof Spatz, de l'université de Fribourg, tente, lui, d'évangéliser les arboriculteurs urbains. "Certains m'ont confié avoir fait des erreurs en élaguant les arbres, ce qui a causé des dégâts", explique-t-il en préconisant de couper tout en préservant le plus possible la forme générale de l'arbre. Plus que le tronc, le feuillage et les branches jouent beaucoup dans la résistance au vent. Thierry Fourcaud (Cirad Montpellier) a ainsi expliqué que l'amortissement est réduit de 60 % en l'absence de feuillage et de 25 % encore en ôtant des branches.

Bernard Thibaut, à l'origine de ce congrès il y a vingt ans, préfère, lui, évoquer les applications dans l'industrie du bois. La technique du déroulage, par exemple, qui consiste à "éplucher" un tronc d'arbre pour en faire des lames, doit tenir compte de la température, de l'humidité et de temps de repos bien particuliers pour éviter les problèmes.

Enfin, il y a le riche vivier de la biomimétique, c'est-à-dire l'art d'imiter la nature pour en faire de nouveaux matériaux ou de nouvelles structures. Dernier exemple en date : dans le journal Science du 31 août, une équipe d'Harvard explique comment la vrille des concombres pourrait inspirer les ingénieurs pour fabriquer des ressorts de raideur variable. Devant tant de beauté, George Jeronimidis s'incline : "Lorsque l'on voit toutes ces recherches, idées ou applications tirées de la nature, on se dit que ça vaut le coup de préserver ce patrimoine. C'est comme une bibliothèque avec plein de richesses dans lesquelles nous pourrons puiser."

Auteur : David Larousserie