L'adaptation des cactus aux milieux arides

Publié le 11 Juin 2021

Article original paru  sur tpecactusabk

Les cactées ont, au cours de l’évolution, adapté leur forme et leur structure afin de pouvoir survivre tout au long de l’année aux conditions difficiles du désert.

Les précipitations en zone désertique étant rares et réparties sur la durée de manière hétérogène, les cactus ont dû modifier leur structure afin de leur permettre d’augmenter et de diminuer rapidement de volume sans que leur épiderme ne se rompe. Ils ont donc adopté des organisations en côtes et en tubercules. Les tubercules peuvent avoir l’apparence de mentons ou de mamelons.

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Les mentons d’un Gymnocalycium.

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Un Mammillaria, dont l’étymologie désigne la forme caractéristique de ses tubercules.

L’organisation en tubercules, spirales et suite de Fibonacci.

Le fait qu’un cactus soit constitué de nombreux tubercules permet de créer entre chacune de ses excroissances des dépressions humides abritées du soleil. De plus, dans le cas de nombreux Mammillaria, on peut observer la présence de poils qui, après une pluie retiennent une partie de l’eau créant ainsi une atmosphère humide qui réduit la transpiration.

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En effet la transpiration est un processus qui a lieu lorsque les stomates s’ouvrent afin de capter du CO2 nécessaire à la photosynthèse. L’ouverture des stomates expose la solution (composée majoritairement d’eau) qui est à l’intérieur du cactus à l’air extérieur. C’est alors la différence entre le potentiel hydrique atmosphérique et celui du cactus qui provoque la sortie de l’eau dans l’atmosphère. Comme l’atmosphère est déjà très humide, la différence est minime et ainsi la transpiration réduite.

 

La suite de Fibonacci est une suite de nombres dans laquelle, chaque terme de la suite est égal à la somme des deux termes qui le précèdent immédiatement. Elle commence généralement par les termes 0 et 1 et ses premiers termes sont : 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, etc… Elle est notée n+1=n+n-1

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Ce tableau définit  la suite de Fibonacci la plus couramment évoquée, avec comme nombres de départ 1 et 0. On constate que le quotient n+1/n se rapproche d’une valeur limite, tend vers 1,618… qui n’est autre que le « nombre d’or », ce nombre possède des propriétés remarquables en phyllotaxie.

La suite de Fibonacci a de nombreuses propriétés, on la retrouve très souvent dans la phyllotaxie, dans l’organisation en spirale des feuilles autour d’une tige. Dans le cas des Cactaceae on la retrouve dans l’organisation des aréoles, bosses, tubercules et épines autour du méristème apical.

fibonacci mammi final

L’organisation en spirale des aréoles et tubercules de ce Mammillaria n’est autre que la spirale de fibonacci, on constate 13 spirales dans un sens et 21 dans l’autre sens, ces deux chiffres sont adjacents dans cette fameuse suite.

La spirale de Fibonacci est une homothétie, elle peut s’étendre indéfiniment vers l’intérieur ou vers l’extérieur tout en conservant une forme identique. Dans une plante en croissance, cette adaptation de la structure joue un rôle extrêmement important au niveau du méristème apical. En effet, l’apex de la plante, et plus particulièrement les primordia produisent par mitose des cellules qui vont s’auto-organiser dans le but d’optimiser l’espace disponible et vont donc se placer, lors de leur création dans le plus grand espace disponible entre les cellules déjà existantes. Cette organisation spontanée mène, à une échelle macroscopique, à une organisation des tissus selon la suite de Fibonacci.

Afficher l'image d'origineAfficher l'image d'origineAutres exemples de spirales de Fibonacci dans la nature. Nautile et fleur de tournesol.

Cependant, ce phénomène s’observe dans la nature dans de nombreux cas et n’est pas du tout propre à la famille des Cactaceae, on peut l’observer dans l’organisation des feuilles, fleurs, bourgeons ou même rejets d’autres plantes ou dans les coquilles de gastéropodes. Certains cactus sont réputés pour avoir adopté une organisation en spirale non conforme à celle de Fibonacci.

Les plantes, toujours dans la logique de variation de volume au cours des saisons, peuvent se rétracter avec davantage de facilité et très rapidement quand leur organisation est en spirale. Lorsque la plante en période sèche se rétracte, ses tubercules se rapprochent, les nombreux aiguillons des aréoles, elles-mêmes placées au bout des mamelons de la plante se rapprochent, formant une protection dense contre les rayons du soleil. A l’inverse, lorsque la plante est gorgée d’eau, les tubercules s’écartent les uns des autres, permettant aux rayons du soleil d’atteindre les tissus photosynthétiques et d’effectuer la photosynthèse.

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Ce Mammillaria microhelia gonflé d’eau après les pluies peut réaliser sa photosynthèse.

Desséché, le rapprochement des épines causé par la rétraction des tubercules empêche les rayons du soleil de filtrer entre cette dense protection et donc de limiter les pertes en eau.

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Tissus d’un Mammillaria rempli d’eau exposés aux rayons du soleil.

 

Ce phénomène de rétraction des tubercules peut être observé sur d’autres Cactaceae n’ayant pourtant pas une structure suivant des spirales de Fibonacci.

Mammillaria albilanata ssp oaxacana

L’organisation en côtes

De nombreux cactus ont développé une organisation en côtes. Elle est en effet présente chez tous les cactus columnaires et certains globulaires et offre à la plante de nombreux avantages.

Tout d’abord, la présence de côtes et de travées permet aux plantes d’alterner périodes humides et périodes sèches et donc de varier fortement de volume sans que l’épiderme de la plante ne se rompe. Le volume maximal qu’une plante puisse atteindre dépend de l’élasticité de son épiderme, la forme en côtes permet à la plante de s’affranchir de ces contraintes. Tel un accordéon, la plante se dilate et se contracte et se gonfle de suc.

 

Comme un accordéon qui se remplit et se vide d’air, les cactus peuvent se gorger d’eau rapidement sans être exposés au risque de craquelure.

Geogébra cactus côteÉvolution de la coupe d’un cactus entre périodes humides et périodes sèches. On note ici l’aire de la coupe. Le volume total de la plante correspond à l’aire multipliée par la hauteur de celle-ci, on considère que le cactus ne s’amincit pas (sa section ne varie pas en fonction de la hauteur), que sa hauteur est fixe et qu’il ne croit pas.

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Echinocactus platyacanthus et ses nombreuses côtes.

Les côtes permettent également d’augmenter la surface de contact entre la plante et l’atmosphère tout en générant de nombreuses zones d’ombre, permettant ainsi au cactus de conserver une température assez basse malgré l’exposition directe des tissus chlorophylliens aux rayons du soleil. Les côtes permettent donc à la plante d’évacuer son surplus de chaleur d’une manière différente de la transpiration, processus bien trop coûteux en eau pour les conditions d’aridité dans lesquelles sont placées les plantes.

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Echinofossulocactus multicostatus, une étymologie s’appuyant sur les nombreuses côtes de ce cactus des déserts du Sonora et Chihuahua.

Un rapport volume/surface élevé

Les cactus présentent dans la plupart des cas un rapport volume / surface très élevé. Le principal effet de cette adaptation aux pénuries d’eau est que la plante perd moins d’eau par transpiration car sa surface de contact avec l’air est fortement réduite. Cela s’illustre tout d’abord par la taille très réduite des feuilles (on peut presque parler d’absence dans la plupart des cas). Chez la plupart des plantes vasculaires, la majeure partie de l’eau se perd par transpiration au niveau des organes foliaires. De plus, certaines Cactaceae adoptent des formes sphériques, la sphère étant la figure géométrique ayant la plus petite surface par rapport à son volume, certains cactus tendent plutôt vers la forme cylindrique, le juste milieu entre un éloignement du sol chaud et la conservation d’un rapport volume / surface élevé.

5302Tephrocactus geometricus et ses articles dont la forme se rapproche de sphères.

Le cas de Tephrocactus Bonnieae est probablement le meilleur exemple d’adaptation structurelle que l’on puisse donner. Ce cactus possède la même forme géométrique que celle d’un ballon de football, soit un icosaèdre tronqué.

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Tephrocactus bonnieae dans son habitat (Catamarca, Argentine)

Ce polyèdre de 32 faces dont 12 pentagonales et 20 hexagonales est en effet utilisé pour créer des balles de football. Sa forme se rapproche de celle d’une sphère et la présence de faces rigides délimitées par de nombreux segments permet au ballon de se gonfler et dégonfler sans risquer d’éclater tout en évitant de soumettre les tissus à de trop fortes pressions.

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De la même manière qu’un ballon de football, le Tephrocactus change de volume au rythme des saisons et son incroyable adaptation géométrique lui permet de réaliser ces changements brusques et rapides de volume sans déchirer son épiderme et tout en conservant un rapport volume / surface très élevé. Ce qui lui permet de limiter ses pertes en eau.

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                       Face Pentagonale                                                                    Face Hexagonale

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Patron d’isocaèdre tronqué

Rédigé par ANAB

Publié dans #Apprendre de la nature

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Rose 11/06/2021 08:22

Merveilleuse nature !

Roland 11/06/2021 22:59

Merci Rose de ce commentaire. Nous sommes aussi fascinés de ces formes d'adaptation