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Matière à se déplacer : graines et grains voyageurs

Dossier - Matière et matériaux, de quoi est fait le monde ?
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Les matériaux constituent l'horizon sensible de notre vie. Nous les mettons en forme, les travaillons, les utilisons. Un constat s'impose : le vivant et l'inanimé, le naturel et l'artificiel, quelles que soient leurs dimensions, sont tous composés de matière qui résulte de la combinaison d'atomes organisés en structures, hélices, ou pliages de molécules.

  
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« Emportés par le vent », à moins que ce ne soit en passager clandestin des insectes, des randonneurs ou des oiseaux, graines et grains voyagent sur des distances pouvant être considérables. Quelles stratégies exploitent-ils ?

Fleur de pissenlit. © Blickpixel, Pixabay, DP

Les grains…

Les grains de sable sont de grands voyageurs. Les plus petits (de quelques dizaines de micromètres), en suspension dans l'air, font de longs trajets, emportés par les circulations atmosphériques en altitude ; c'est ce qui explique pourquoi les glaciers du Grand Nord se retrouvent recouverts d'une mince couche rose... de sable saharien ! Les plus gros roulent sur le sol, dans un régime dit de reptation. Ceux de taille intermédiaire (autour de 200 micromètres) avancent par une succession de sauts et de rebonds, arrachant au passage d'autres grains de sable du lit granulaire (Fig. 1) : on parle de saltation.

Fig. 1. Différents mécanismes de transport des grains par le vent au-dessus d’un lit de sable. © DR

Ces grains en saltation sont poussés par les grands vents (comme l'Harmattan qui souffle vers le sud du Sahara) et construisent des dunes. Ces dernières forment alors d'élégantes surfaces, à l'image des barkhanes aux allures de croissant, dont la forme épouse les écoulements du vent dévié par le sable (Fig. 2).

Fig. 2. (a) Dune barkhane en Mauritanie. (b) La simulation numérique montre la direction du vent dévié par la dune. Les couleurs indiquent l’importance des efforts de cisaillement du vent sur le sable (la zone bleue correspond à un vent nul par effet d’écran). Le vent souffle de la gauche vers la droite. © DR

Les dunes elles-mêmes se déplacent : à l'amont de celles-ci, les grains portés par le vent s'accumulent et les font grossir ; du fait des avalanches qui ont lieu sur leur front aval, elles avancent petit à petit, sans changer de forme globale. Cette progression conduit aux ensablements destructeurs qui touchent les habitations et les routes de nombreux pays comme la Mauritanie ou la Chine.

…et les graines

Les végétaux disséminent des spores ou des graines, ces grains végétaux qui, eux aussi, voyagent. Les spores (qui assurent la dissémination des fougères ou des mousses) sont des structures de très petite taille (de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres), simplement constituées d'une cellule dotée d'une quantité minimale de réserves et d'enveloppes protectrices. Elles sont particulièrement légères, ce qui rend très aisé leur transport par le vent. Le plus souvent, la libération des spores s'effectue par temps sec, autrement dit dans des conditions particulièrement favorables à leur dissémination (la pluie les entraînerait immédiatement au sol !). Les spores des champignons (qui ne sont pas des végétaux) sont disséminées selon des mécanismes semblables.

Les graines sont des structures beaucoup plus complexes, caractéristiques des plantes à fleurs et des gymnospermes. Elles sont protégées par leur enveloppe externe, le tégument, et contiennent un embryon (très petite plante) ainsi que des réserves souvent abondantes. Elles ne peuvent donc pas être aussi petites que les spores, et le vent ne les dissémine que si un dispositif particulier facilite leur transport. Celui-ci joue le rôle d'une voilure grâce à une forte prise au vent. Il s'agit généralement d'une structure plumeuse ou membraneuse qui est une expansion des téguments de la graine (dans le cas du coton, de l'épilobe et du pin) ou de la paroi du fruit (pour l'érable et le pissenlit, par exemple).

Fig. 3. « Je sème à tout vent ». Due à Eugène Grasset, cette image du dictionnaire Larousse a fêté ses 120 ans. Elle montre le transport par le vent des fruits secs de pissenlit, ou akènes, surmontés de leur aigrette. © DR

La force de portance est d'autant plus élevée que la surface présentée au vent est importante : l'aigrette, ou pappus, du pissenlit sert ainsi de parachute (Fig. 3) ! De même, les samares d'érable tombent lentement dans un mouvement de rotation qui évoque la chute d'une carte à jouer. Elles ont ainsi le temps de s'éloigner, sous l'effet du vent, de l'arbre dont elles sont issues (voir Fig. 5).

Particularités de certaines graines

L'exception de la célèbre famille des orchidées. Leurs graines sont si petites (elles font à peine quelques dixièmes de millimètre) qu'on les appelle « graines poussières ». Comme les spores, elles sont disséminées par le vent. Cette petite taille n'est obtenue qu'au prix de la perte totale des réserves, et elles ne contiennent même pas de véritable plantule formée. Cet allégement a donc une contrepartie : les graines d'orchidées sont incapables de germer seules et doivent pour cela recevoir l'aide d'un champignon.

Certaines graines se font transporter par les animaux, en s'arrimant à leurs poils grâce à des crochets (par exemple l'aigremoine ou la bardane, qui a inspiré le velcro), ou par le truchement d'un fruit appétissant. Après consommation de celui-ci par un animal, les graines sont éliminées par les voies naturelles : elles sont même, dans ce cas, déposées avec un peu d'engrais naturel azoté qui leur sera bien utile.

Enfin, le vent a longtemps été employé par les paysans pour séparer les grains de blé de leur enveloppe légère, en secouant les épis en présence d'un courant d'air. Dans ce cas, seul le bon grain retombe à la verticale dans le van !

Les mouvements lents du monde végétal

Peut-on oublier les végétaux eux-mêmes dans ce chapitre consacré aux déplacements du monde végétal ? Oui, si l'on considère qu'ils sont fixés au sol par leurs racines... Encore que certaines d'entre elles (comme les fraisiers), par repousses successives, sont susceptibles de se promener sur le sol ! Quelquefois buissonnantes, beaucoup d'entre elles rampent, grimpent et courent (produisant de tiges d'un à deux mètres pour certaines, jusqu'à plus de 10 mètres ou plus pour d'autres, cela en à peine trois mois parfois !). Les lianes et les fougères montent en spirale. Les plantes rampantes s'accrochent par des tortillons (Fig. 4).

Fig. 4. Cette vrille de concombre sauvage s’accroche aux obstacles qu’elle rencontre pour progresser, en formant une hélice parfaite constituée de deux moitiés symétriques enroulées en sens inverse. C’est Charles Darwin qui, le premier, en a fourni une description scientifique. © DR

Cependant, un film accéléré d'une forêt tropicale montre nettement les mouvements continus des végétaux, alors que ceux des animaux sont gommés par leur propre agitation. On distingue le mouvement incessant des strates élevées (la canopée) des arbres qui recherchent la lumière, et celui des jeunes arbres qui se développent en sous-bois comme des feux d'artifice... Tandis que de nouveaux espaces sont colonisés par les végétaux grâce au travail des grains et pollens voyageurs. Dans ces exemples, « mouvement» est bien synonyme de « croissance » et « développement ».

Samare versus hélicoptère

À l'automne, nous avons tous vu tomber des samares d'érable et pensé à un hélicoptère, sans aller plus loin dans notre observation. Cependant, tous les scientifiques ne se sont pas contentés de cette rapide comparaison ! Le mouvement de ces fruits, des diakènes ailés, a été étudié récemment par un laboratoire de l'université agronomique de Wageningen aux Pays-Bas, associé à une équipe du Caltech aux États-Unis. Cette rotation, créée par un mécanisme qui ralentit la chute d'un facteur 10 au moins, permet à la graine d'être dispersée plus loin par le vent.

En guise de conclusion

Au-delà d'une explication précise, ces travaux rendent compte des ouvertures disciplinaires aujourd'hui nécessaires. En nous montrant tout ce que peut enseigner ce type de science ouverte - le titre de la revue où est publié cet article de 2009 est simplement... Science ! -, ils fournissent une intéressante conclusion à toute cette partie sur le déplacement : chaque science apporte un point de vue différent sur la question.
 
La physique, d'abord, plus précisément la mécanique. La samare tourne sur elle-même, autour d'un axe très proche de la graine où se trouve l'essentiel du poids. Lors de son mouvement dans l'air, elle forme un tourbillon, qui s'étire le long de l'aile et se prolonge au-delà de celle-ci, comme ceux au bout de l'aile d'un avion. Ce tourbillon crée, au-dessus de l'aile, une dépression qui s'oppose à la chute trop rapide : la samare met plusieurs secondes pour parcourir un mètre (Fig. 5).

Fig. 5. Chronophotographie de la chute d’une samare d’érable. La fréquence de rotation de la samare est de 15 à 30 Hz (elle fait de 15 à 30 tours sur elle-même en une seconde). La prise de vue a été effectuée à 1.000 images par seconde. © DR

En laboratoire, on la place dans une soufflerie d'air verticale. Elle tourne alors sur place, ce qui facilite les observations. On peut aussi faire des modèles de samare à l'aide d'un canal d'huile en mouvement... À condition que le rapport des effets de la viscosité et de l'inertie soit identique dans la réalité (il faut donc que le nombre de Reynolds soit le même, de l'ordre de 1.000 dans ce cas). Il existe aussi des modèles numériques : par ordinateur, on peut calculer ces mouvements et les forces qui y sont reliées.

La biologie, ensuite. Elle a inspiré cette recherche, qui s'appuie sur une analyse comparative des divers types de samares, pour éclairer les mécanismes du transport de graines par chute ralentie. On est loin de la simple observation ! Cette analyse a conduit à un important parallèle avec le vol stationnaire du colibri et d'autres oiseaux qui restent sur place en battant des ailes en permanence. Eux aussi utilisent, pour rester en l'air, un tourbillon qui se développe au-dessus de leurs ailes. Dans le monde animal et végétal, des stratégies similaires ont donc été favorisées au cours de l'évolution.

Toutes ces connaissances sont finalement mises à profit pour les applications technologiques. Pourquoi ne pas concevoir des mini-hélicoptères, utilisés comme drones, volant selon le même principe que les samares, ou des parachutes exploitant les effets de la rotation? Le premier auteur de cet article, David Lentink - ingénieur aéronautique avant de rejoindre un laboratoire de biologie - estime cela tout à fait possible ! D'ailleurs, il s'intéresse également au vol rapide des martinets noirs, qui déforment leurs ailes en cours de vol. David Lentink étudie également comment des ailes mobiles pourraient accroître les performances des avions. Nous ne sommes pas bien loin des intuitions premières d'un certain Leonardo, qui inventait des machines volantes...