Comment l’eau monte dans les arbres jusqu’à la cime ?

Un arbre réussit chaque jour ce qu’aucune pompe aspirante ne sait faire : monter de l’eau à cent mètres de haut, sans moteur, sans bruit et sans dépenser un centime. Comment l’eau monte dans les arbres ? La question a l’air d’en être une de primaire, mais elle a fait se disputer les botanistes à la fin du XIXe siècle, elle a été résolue grâce à des arbres qui continuaient à boire une fois leur tronc tué, et elle réserve encore des surprises. Les arbres font des bruits qu’on n’entend pas, ils souffrent d’un mal qui ressemble à une thrombose, et ils ont une hauteur maximale qu’on peut calculer. Et une partie de l’histoire s’écrit en France, à Clermont-Ferrand.

Pourquoi aspirer ne suffit pas

La première idée qui vient, c’est que l’arbre aspire l’eau comme on boit à la paille. Le problème, c’est que l’aspiration a une limite. D’après le département de botanique du Trinity College de Dublin, une pompe aspirante mécanique ne fait monter l’eau que d’environ 10 mètres. Au-delà, on a beau tirer, l’eau ne monte plus.

C’est justement cette limite qui rendait sceptiques les physiologistes du XIXe siècle. Si une pompe plafonne à 10 mètres, comment une feuille pourrait-elle aller chercher de l’eau 50, 80 ou 100 mètres plus bas ? L’explication la plus admise à l’époque était tout autre : des cellules vivantes du bois poussaient l’eau vers le haut en dépensant de l’énergie, comme une chaîne de petites pompes le long du tronc.

L’arbre mort qui continuait à boire

Cette théorie des pompes vivantes avait un problème, et il venait des expériences d’un botaniste nommé Strasburger. D’après le Trinity College, en 1892, deux scientifiques de Dublin, Henry Dixon et John Joly, ont vu ces expériences de leurs propres yeux. Elles montraient quelque chose de déroutant : les arbres continuaient à faire monter l’eau même après qu’on avait tué leur tronc.

Si les cellules du tronc étaient mortes et que l’eau montait quand même, ce n’étaient pas elles qui poussaient. Il fallait une autre explication, qui fonctionne sans rien de vivant au milieu. Dixon et Joly se sont mis à la chercher.

Comment l’eau monte dans les arbres : une corde en eau

La réponse qu’ils ont proposée en 1895, dans un article intitulé On the Ascent of Sap, « Sur l’ascension de la sève », publié par la Royal Society britannique, renverse le tableau. Rien ne pousse l’eau par le bas. C’est l’évaporation qui la tire par le haut.

Voilà comment ça marche. Les feuilles ont des pores par lesquels la vapeur d’eau s’échappe dans l’air, surtout quand il fait soleil et chaud. Chaque molécule d’eau qui s’évapore laisse un vide qu’une autre doit combler, et celle-ci tire sur la suivante, et ainsi de suite jusqu’aux racines. Le Trinity College décrit une succion qui se transmet vers le bas à travers des colonnes d’eau continues dans le xylème, les conduits très fins du bois.

Ce qui rend le tour possible, c’est une propriété de l’eau qu’on ne voit pas à l’œil nu : ses molécules s’attirent fortement entre elles. C’est la cohésion. Grâce à elle, une colonne d’eau se comporte comme une corde : tire sur un bout, et tout suit. Et c’est une corde étonnamment solide. D’après le Trinity College, ces colonnes tiennent sans casser sous des succions de plus de 300 atmosphères, à condition d’être dans des tubes étroits comme ceux du xylème. Dans un tuyau large, elles se rompraient.

D’où le nom de théorie de la cohésion-tension : cohésion, parce que l’eau reste soudée, et tension, parce que la colonne est étirée, tirée par le haut. La pompe aspirante bute sur son plafond de 10 mètres ; l’arbre, lui, tire sur une corde d’eau qui ne casse pas.

La théorie a été accueillie avec beaucoup de scepticisme en 1895. Dixon et Joly ont mené une série d’expériences pour répondre aux critiques, Dixon l’a défendue dans un livre en 1914, et elle a fini par s’imposer. Le Trinity College rappelle que les manuels de botanique l’appellent toujours la « théorie de la cohésion de Dixon et Joly ».

La partie que presque tout le monde saute

L’explication de la corde laisse une question en suspens : si la corde casse dès qu’une bulle s’y glisse, comment les conduits se sont-ils remplis d’eau la première fois ? On ne peut pas tirer sur une corde qui n’existe pas encore.

Le physicien et philosophe des sciences Harvey Brown a retracé l’histoire de la théorie en 2013, dans la revue Physics in Perspective, et il pointe exactement ça. Depuis la naissance de la théorie, les botanistes savent qu’il faut d’autres processus pour « amorcer » l’arbre, et le principal leur paraît si évident qu’on l’oublie souvent dans le récit : la croissance elle-même. L’arbre n’a jamais à faire monter de l’eau dans un tuyau vide de cent mètres. Ses conduits se forment et se remplissent au fur et à mesure qu’il grandit, centimètre par centimètre. La corde se tresse pendant qu’on tire dessus. Brown ajoute que d’autres facteurs dépendent beaucoup du type d’arbre.

Un chêne qui transpire 151 000 litres par an

Le plus frappant, c’est la quantité d’eau que ce système déplace. Presque toute l’eau qui monte dans un arbre n’y reste pas : elle s’évapore par les feuilles. D’après l’école des sciences de l’eau de l’Institut d’études géologiques des États-Unis, un grand chêne peut transpirer environ 151 000 litres d’eau par an. L’organisme gallois des ressources naturelles donne le même chiffre dans ses supports pédagogiques. Réparti sur l’année, ça fait plus de 400 litres par jour en moyenne, même si en pratique presque tout se concentre sur les mois où l’arbre a des feuilles.

Les cultures ne sont pas en reste. La même source calcule qu’un champ de maïs d’un hectare peut renvoyer dans l’air, en une seule journée, de l’ordre de 28 000 à 37 000 litres d’eau.

Tout ce débit passe par des tubes très fins, sans la moindre pièce mobile. Et c’est le soleil qui fait tourner la machine : sa chaleur évapore l’eau des feuilles et lance la traction.

Des bulles qui cassent la corde

Une corde tendue a un point faible, et chez l’arbre il s’appelle la cavitation. Si la tension devient trop forte, par exemple pendant une sécheresse, une bulle de gaz peut apparaître dans la colonne d’eau. La colonne se rompt, le conduit se vide et ne transporte plus d’eau.

C’est là que la France entre en scène. Le laboratoire de physique et physiologie intégratives de l’arbre de l’INRAE, à Clermont-Ferrand, compare ce phénomène à ce qui peut nous arriver : cette embolie gazeuse bloque le système de conduction de l’arbre de la même manière que des thromboses peuvent bloquer le système circulatoire humain. Et elle s’aggrave avec la sécheresse. La même équipe a mis au point un appareil, le Cavitron, qui par centrifugation reproduit en quelques minutes les effets d’une sécheresse sur les conduits. Grâce à lui, elle a montré que la résistance à la cavitation varie énormément d’une espèce à l’autre.

Un détail sonne comme de la science-fiction. Quand un conduit cavite, il fait du bruit. Une étude de 2015, cosignée notamment par Hervé Cochard, de l’INRAE, analyse les émissions acoustiques ultrasonores des espèces ligneuses et leur lien avec la cavitation pendant les cycles de gel et de dégel. Ce sont des clics que l’oreille humaine ne capte pas, mais que les capteurs enregistrent.

Pourquoi il n’y a pas d’arbres de 200 mètres

Si la corde d’eau est si efficace, pourquoi les arbres ne poussent-ils pas sans fin ? En 2004, le chercheur George Koch, de l’université du Nord de l’Arizona, et son équipe ont publié dans Nature une étude sur les séquoias à feuilles d’if des forêts humides du nord de la Californie, où se trouvait le plus grand arbre connu à l’époque : 112,7 mètres.

Ils ont étudié comment les feuilles changent avec la hauteur. En bas, elles sont larges et espacées ; en haut, petites et serrées. Tout en haut, la gravité et la longueur du trajet font que l’eau arrive plus difficilement, les feuilles subissent davantage de stress hydrique et font moins de photosynthèse. En extrapolant ces changements, l’équipe a calculé une hauteur maximale de 122 à 130 mètres, sauf dégâts mécaniques avant. Au-dessus de ce plafond, la corde d’eau ne suffit plus à alimenter des feuilles dignes de ce nom.

La note publiée par Nature sur l’étude ajoutait un détail : ces séquoias ont environ 2 000 ans, si bien que des sécheresses ou la foudre ont pu freiner leur croissance par le passé.

La chambre en verre qui a explosé

Mesurer la tension de l’eau dans une branche n’est pas simple, et Dixon y a gagné une belle frayeur. D’après le Trinity College, en 1922, il testait une chambre à pression en verre et la surveillait à travers un miroir. Dans le reflet, il a vu les parois commencer à gonfler, et l’appareil a explosé. L’idée était bonne, le matériau non. En 1965, Scholander et ses collègues ont construit le même type d’instrument en métal.