Comment les arbres ont évolué pour déplacer l’eau en toute sécurité

Les arbres paraissent être l’un des éléments les plus banals de notre environnement. On en voit le long des rues, ils composent nos forêts, et ils dominent la surface de la Terre depuis des centaines de millions d’années.

Pourtant, en revisitant l’évolution des plantes, une question étonnamment difficile s’impose : qu’est-ce qui, au départ, a rendu un arbre possible ?

Une nouvelle définition des arbres

On imagine souvent qu’un arbre est simplement une plante dotée d’un tronc ligneux surmonté d’une couronne de feuilles. Une collaboration récente avance un autre critère.

Cette recherche a été menée par des scientifiques de l’Université polytechnique d’État de Californie Humboldt, en partenariat avec l’Université Yale, l’Université de Hohenheim en Allemagne et l’Académie tchèque des sciences.

Dans leur proposition, le bois n’est plus le point central. Selon eux, ce qui définit un arbre pourrait être la capacité durable, année après année et tout au long de la vie, à produire puis remplacer les tissus chargés de transporter l’eau.

L’eau a été le vrai défi

Grandir en hauteur procure des avantages évidents. Une plante plus haute capte davantage de lumière et dissémine graines et spores plus loin dans le paysage.

Mais ce gain a un prix élevé.

Chaque tranche d’environ 30 cm de croissance supplémentaire impose de faire monter l’eau plus haut, au travers d’un réseau interne plus long et plus exigeant.

Comment l’air piégé tue les plantes

L’eau circule dans le xylème, un ensemble de tubes microscopiques qui relient les racines aux feuilles.

En période de sécheresse, de l’air peut s’introduire dans ces conduits et créer des bouchons appelés embolismes.

Une bulle isolée peut être tolérée. Le danger majeur vient d’une réaction en chaîne : l’obstruction se propage de tube en tube, jusqu’à ce que l’eau n’atteigne plus la cime et que la plante meure de ce que les botanistes nomment une défaillance hydraulique.

Des corps plus grands, un risque plus élevé

La taille ne réduit pas le risque, elle l’aggrave.

Une plante plus volumineuse a besoin de bien davantage de conduits d’eau, et chaque conduit ajouté constitue une voie potentielle de propagation pour un blocage.

Ainsi, un grand système de transport de l’eau, fortement interconnecté, devient un point faible. Sans une forme de pare-feu interne, grandir en hauteur revient surtout à augmenter les chances d’une panne fatale.

Les arbres ont évolué vers des voies d’eau plus sûres

En prenant de la taille, les plantes ont développé une « plomberie » plus vaste, ce qui multipliait les occasions pour une défaillance de se diffuser. Les auteurs ont donc cherché le trait qui a permis aux plantes hautes d’éviter l’effondrement total.

Leur réponse tient à la déconnexion. Plutôt qu’une colonne d’eau unique, continue et entièrement liée, les lignées d’arbres qui ont réussi ont fragmenté leur xylème en compartiments distincts, semi-indépendants.

Le principe rappelle celui d’un navire doté de cloisons étanches : si un compartiment est envahi, le bateau reste à flot, car le reste de la coque est isolé du problème.

La même solution réapparaît sans cesse

Cette compartimentation existe chez des plantes à peine apparentées, des lignées qui ont acquis des formes élevées de manière indépendante, à travers de très longues périodes.

« La même stratégie apparaît encore et encore tout au long de l’histoire des arbres », a expliqué Alexandru Tomescu, professeur de botanique et paléobotaniste à l’Université polytechnique d’État de Californie Humboldt, co-auteur de l’article.

Lorsque des groupes non apparentés aboutissent régulièrement à la même architecture, cela signale généralement une pression commune qui les y pousse.

Les arbres ont d’abord fait évoluer le bois

On suppose souvent que le bois est apparu pour maintenir une plante lourde en position verticale. Les fossiles rendent ce récit plus nuancé.

Les plus anciennes plantes ligneuses, vieilles d’environ 400 millions d’années, étaient minuscules, avec des tiges de moins de 1,3 cm d’épaisseur. Leur bois semble d’abord optimisé pour transporter l’eau de façon sûre, plutôt que pour assurer une simple résistance mécanique.

Dans la lignée des plantes à graines, la déconnexion s’est mise en place via de subtils ajustements anatomiques.

Les cellules s’alignaient en files radiales régulières, des rubans de tissu de réserve appelés rayons découpaient le bois en secteurs, et les minuscules ponctuations reliant une cellule à la suivante diminuaient de taille et s’amincissaient.

Le plus ancien véritable arbre

Les cernes de croissance ont ajouté une protection supplémentaire. Chaque cerne isole les conduits de la saison précédente, de sorte que l’air emprisonné dans le vieux bois ne peut pas se propager vers la croissance nouvelle.

À la fin du Dévonien, une plante nommée Archaeopteris possédait déjà un bois réunissant l’ensemble de ces caractéristiques.

Il s’agit du plus ancien fossile que la plupart des botanistes identifieraient immédiatement comme un véritable arbre.

Certains arbres ont évolué autrement

Toutes les plantes hautes ne produisent pas de bois. Les palmiers ont contourné le problème de l’eau en remplissant leur tronc de centaines de faisceaux vasculaires séparés, ce qui crée naturellement une organisation compartimentée.

Les fougères arborescentes vont encore plus loin. Leur tronc est un assemblage : une tige centrale est enveloppée d’une épaisse gaine constituée de nombreuses racines individuelles, chacune assurant son propre apport en eau.

Ces solutions fonctionnent, mais elles imposent des limites strictes.

Sans l’expansion de bois d’un véritable tronc, palmiers et fougères se ramifient rarement et s’ancrent moins solidement, ce qui plafonne la hauteur qu’ils peuvent atteindre.

Pourquoi cela compte aujourd’hui

Les mécanismes à l’origine de ces évolutions ne sont pas des événements uniques perdus dans un passé lointain. Ils s’exercent encore sur chaque forêt actuelle.

« Les pressions qui ont façonné les premières forêts influencent encore les forêts d’aujourd’hui », a déclaré Tomescu.

« Comprendre comment les arbres ont évolué pour gérer le stress hydrique peut nous aider à mieux comprendre comment les forêts réagiront à un climat en changement. »

À mesure que les sécheresses se durcissent, l’antique bras de fer entre hauteur et hydratation se rejoue.

Les plantes qui l’ont surmonté ont inscrit leur solution dans le bois ; apprendre à lire cet enregistrement pourrait indiquer quelles forêts seront capables d’affronter ce qui arrive.

L’étude avance que l’essor des arbres n’a pas été guidé uniquement par la nécessité de grandir, mais aussi par l’obligation d’acheminer l’eau en toute sécurité dans des organismes de plus en plus massifs, lors des périodes de sécheresse.