Et si la règle des arbres de Léonard de Vinci était fausse ? Une nouvelle étude la remet en question !

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Les arbres, ces géants silencieux, montrent une architecture vasculaire complexe qui leur permet non seulement de s’étirer vers le ciel, mais aussi d’assurer le transport essentiel de l’eau et des nutriments à chaque coin de leur structure. L’exploration de ce réseau vasculaire n’est pas seulement une question d’émerveillement esthétique, mais aussi une clé pour comprendre comment les plantes optimisent l’utilisation du carbone tout en maintenant une efficacité hydraulique. Une étude récente propose un nouveau modèle, le gMST (Generalized Minimum Spanning Tree), qui jette un éclairage novateur sur la morphologie végétale.

L’économie du carbone : un équilibre délicat

Le coût carbonique des systèmes vasculaires des plantes est une mesure cruciale de leur efficacité énergétique. Le nouveau modèle gMST a examiné l’effet des changements dans l’architecture vasculaire sur l’économie du carbone, en se concentrant sur l’épaisseur des parois des vaisseaux et l’expansion des conduits de la base à la pointe.

Selon le modèle, le coût en carbone de la plante change en fonction des taux de coalescence des conduits et d’élargissement. Le modèle propose que la sélection naturelle favoriserait les structures vasculaires qui maintiennent la résistance hydraulique tout en augmentant le nombre de conduits à la terminaison du réseau, offrant ainsi plus de surplus de carbone qui peut être investi dans d’autres fonctions de la plante comme la reproduction ou la croissance.

Transition entre domaines de transport et diffusifs

L’étude illustre comment le système vasculaire des plantes transitionne entre un domaine de transport, où les ressources sont acheminées vers les extrémités de l’organisme, et un domaine diffusif, où ces ressources sont distribuées aux tissus nécessaires. Cette transition, conforme aux observations empiriques, est atteinte par une combinaison de l’élargissement des conduits et de la coalescence, optimisant ainsi l’efficacité hydraulique tout en minimisant le coût en carbone.

etude

Le texte présente des modèles illustrant les variations des volumes totaux de réseaux de ramification en somme, en montrant comment le volume total du réseau (forme extérieure en noir) et le volume conducteur total (forme intérieure en rouge) varient avec différents coefficients d’effilement et des taux de coalescence. Quatre modèles de réseau sont présentés, mettant en avant les différences entre (A) le modèle de West et al., (B) celui de Savage et al., (C) celui de Rosell et Olson et (D) relations gMST de la morphologie des plantes, allant de la base de la plante jusqu’à la pointe des feuilles. Les valeurs encerclées en vert sont explicitement données comme prémisses par les auteurs, tandis que les autres valeurs sont déduites.

Un pas en avant vers la compréhension de la morphologie végétale

Le modèle gMST offre une plateforme solide pour comprendre et prédire la morphologie des plantes en relation avec leur architecture vasculaire. En proposant que les conduits coalescent et s’élargissent de la pointe à la base, compensés par une réduction globale du volume de la plante, le modèle aligne l’efficacité hydraulique avec l’utilisation efficace du carbone.

Invitation à l’exploration future

L’exploration du modèle gMST incite à une recherche plus approfondie, notamment pour évaluer le taux de coalescence des conduits au sein des branches et son impact sur la morphologie des plantes. Le modèle incite également les chercheurs à explorer d’autres modèles qui étudient le compromis entre le système vasculaire et le coût en carbone.

Cette étude ouvre une nouvelle fenêtre sur la complexité de la morphologie végétale, offrant un terrain fertile pour les recherches futures. L’exploration continue des modèles comme le gMST aidera non seulement à démystifier la beauté structurale des plantes, mais aussi à révéler comment la nature optimise constamment les ressources disponibles pour soutenir la vie.

Adaptation et plasticité phénotypique

L’une des révélations intéressantes du modèle gMST est la manière dont il met en lumière la capacité des plantes à montrer une plasticité phénotypique face aux conditions environnementales. Le modèle suggère que les variations dans la coalescence et les taux d’élargissement des conduits permettent aux plantes de modifier leur hauteur et leur morphologie en réaction à la disponibilité en eau, par exemple. Ce genre d’adaptation dynamique est crucial pour la survie et la prospérité des plantes dans des environnements fluctuants.

Implications au-delà du règne végétal

La modélisation gMST, bien que centrée sur les plantes, peut également éveiller la curiosité quant à la morphologie d’autres groupes taxonomiques. Par exemple, les réseaux vasculaires des animaux peuvent-ils aussi présenter des transitions entre les domaines de transport et diffusifs, et comment ces transitions influencent-elles l’efficacité énergétique et la distribution des ressources ? Les possibilités d’exploration sont vastes et peuvent ouvrir la voie à une compréhension plus approfondie des principes de conception qui sous-tendent la diversité biologique.

Conclusions et prospectives

Le modèle gMST nous offre une nouvelle lentille à travers laquelle observer et analyser la complexe architecture vasculaire des plantes. Il ne se contente pas de résoudre les énigmes existantes, mais élargit également l’horizon des questionnements possibles, et pas seulement dans le règne végétal.

En reliant l’efficacité hydraulique à l’économie du carbone, et en évoquant la manière dont ces facteurs pourraient être modulés par des forces sélectives naturelles, le modèle gMST éclaire un chemin prometteur vers une compréhension plus holistique des systèmes vasculaires et de leur évolution.

Les auteurs invitent la communauté scientifique à tester les prémisses et la robustesse empirique de leur modèle, et à comparer ces observations avec d’autres modèles explorant les compromis entre le système vasculaire et le coût en carbone. Ils espèrent que cette initiative stimulera une richesse de nouvelles découvertes, offrant une perspective élargie sur les principes optimisés de distribution des ressources chez les plantes, et potentiellement au-delà.

L’étude appelle à un effort collaboratif continu pour dévoiler les secrets de la morphologie végétale, et invite à une exploration multidisciplinaire qui pourrait éventuellement révéler des principes universels de design biologique, transcendant les barrières taxonomiques.

La nature continue d’être une source inépuisable d’inspiration et d’exploration, et comme le suggère le modèle gMST, chaque branche, chaque feuille et chaque conduit vasculaire sont des témoignages de l’incroyable ingéniosité et de l’efficacité avec laquelle la nature orchestre la vie.

En résumé :

  • Modélisation gMST : Une nouvelle modélisation appelée gMST permet de mieux comprendre l’architecture vasculaire des plantes, en intégrant les transitions entre les domaines de transport et diffusifs dans les réseaux vasculaires, essentiels pour la distribution efficiente des ressources.
  • Efficiences Hydraulique et Carbonique : Le modèle révèle que l’efficacité hydraulique et l’économie du carbone sont des facteurs clés dans l’optimisation de la structure vasculaire des plantes, favorisées par la sélection naturelle pour minimiser le coût en carbone tout en conservant un résistance hydraulique constante.
  • Plasticité Phénotypique : Les taux de coalescence et d’élargissement des conduits, modifiables, permettent aux plantes d’adapter leur morphologie en réponse aux conditions environnementales, démontrant une plasticité phénotypique.
  • Implications Transcendantes : Bien centré sur les plantes, le modèle gMST pourrait offrir des aperçus sur la morphologie d’autres groupes taxonomiques, élargissant le champ des possibles en termes de recherche sur les systèmes vasculaires.
  • Défi à la Règle de Leonardo : Le modèle conteste la règle de Leonardo sur la conservation de la surface, en présentant un cadre unifié qui décrit comment la transition vers un domaine diffusif peut se faire tout en conservant une résistance constante.
  • Encouragement à la Validation Empirique : Les auteurs encouragent les recherches futures pour tester les prémisses du modèle gMST et comparer ses prédictions avec les observations empiriques, pour évaluer la coalescence des conduits et autres paramètres clés.
  • Perspectives Multidisciplinaires : L’initiative appelle à une exploration multidisciplinaire pour découvrir des principes universels de design biologique, possiblement applicable au-delà du règne végétal, promettant un nouveau territoire d’exploration dans la compréhension des systèmes biologiques optimisés.
Source de l'étude : Vascular optimality dictates plant morphology away from Leonardo’s rule S.B.D.Soppa,1,2IDandR.Valbuenaa,b,1,2IDEditedbySusanHarrison,UniversityofCalifornia,Davis,CA;receivedSeptember8,2022;acceptedJune7,2023
doi:10.1073/pnas.2215047120
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2215047120

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Eric GARLETTI
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