Histoire de la biologie végétale

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Les plantes constituent, avec les algues vertes, une lignée évolutive, les végétaux verts ou chlorobiontes (chloro = vert ; -biontes = êtres vivants), caractérisée par la capacité de photosynthèse, la présence des chlorophylles a et b, le stockage des produits de la photosynthèse sous forme d’amidon à l’intérieur d’organites cellulaires spécialisés, les chloroplastes, et la présence autour des cellules d’une paroi faite de cellulose. Ces caractéristiques permettent de les distinguer des champignons et des animaux, mais aussi des autres lignées d’organismes chlorophylliens, comme les algues brunes ou les algues rouges.

Chaque cellule est entourée d'une paroi faite de cellulose et contient des chloroplastes qui apparaissent sous forme de grains verts en raison de la présence de chlorophylle. La photosynthèse qui aboutit à l'accumulation d'amidon se déroule au sein des chloroplastes. Chlorophylles a et b, synthèse d'amidon et paroi cellulosique caractérisent la lignée évolutive des végétaux verts.

Les plantes se distinguent des algues vertes par la formation, à partir de l’œuf résultant de la reproduction sexuée, d’un embryon dont le développement est à l’origine d’une nouvelle plante. C’est pourquoi on les regroupe aujourd’hui sous le terme d’embryophytes (embryo = embryon ; -phytes = plantes). Environ 270 000 espèces de plantes ont été décrites et on les trouve dans la plupart des milieux, aériens et aquatiques. Fondamentalement, les plantes sont autotrophes (auto = soi-même ; -trophe = nourriture), c’est-à-dire qu’elles sont capables de produire leur matière organique à partir de précurseurs d’origine minérale.

Les organismes autotrophes constituent le point de départ des réseaux alimentaires et sont qualifiés pour cela de producteurs primaires tandis que les organismes hétérotrophes (hétéro = autre ; -trophe = nourriture) qui nécessitent de la matière organique provenant d’autres organismes pour se nourrir, comme les animaux, les champignons et de nombreuses bactéries, sont des consommateurs.

Histoire des connaissances sur la physiologie des plantes

Les premières recherches scientifiques sur le fonctionnement des plantes commencèrent avec Joseph Priestley (1733-1804), un homme particulièrement étonnant. Ce pasteur et théologien anglais était aussi un chercheur, auteur d'ouvrages sur la grammaire, l'éducation, l'électricité, la chimie, et un défenseur des libertés. Il publia des essais politiques et dut s'exiler aux États-Unis en raison de ses idées progressistes. Passionné par l'étude des gaz, il en identifia un très grand nombre et démontra en 1771 que les plantes produisent un gaz capable de régénérer l'air vicié par la respiration d'un animal. C'est Lavoisier qui devait appeler ce gaz "oxygène". Quatre ans plus tard, reprenant ces travaux, Jan Ingenhousz (1730-1799), médecin hollandais, montra que le dégagement d'oxygène ne se produit qu'à la lumière. Pendant la nuit, les plantes rejettent un gaz, le gaz carbonique (dioxyde de carbone) dans lequel la combustion d'une bougie s’avère impossible.

Toutefois, l'existence chez les végétaux d'échanges gazeux respiratoires analogues à ceux des animaux (une absorption d’oxygène et un rejet de gaz carbonique) ne fut pas comprise immédiatement. Ce furent les premières expériences quantitatives sur les échanges gazeux des plantes réalisées par un suisse, Horace Bénédict de Saussure (1740-1799), par ailleurs géologue et pionnier de l'alpinisme (il escalada le premier le Mont Blanc en 1787), qui devaient conduire à cette conclusion. À la même époque, son compatriote, Jean Sénebier (1742-1809), montra aussi que les plantes absorbent du gaz carbonique, mais il affirma, à tort, que celui-ci est décomposé en oxygène sous l'effet de la lumière.

Diverses théories sur la nutrition des plantes avaient alors cours : depuis une mystérieuse transmutation de l'eau en minéraux jusqu'à une théorie de l'humus décrétant que les plantes prélèvent dans le sol des aliments organiques, elles brillaient surtout par leur absence de fondement expérimental. Le fils de H.B. de Saussure, Nicolas Théodore (1764-1845), démontra expérimentalement que les plantes absorbent en même temps l'eau du sol et les minéraux qui y sont dissous et il confirma ses conclusions en réalisant des cultures sur un milieu minéral artificiel préfigurant les cultures hydroponiques actuelles (cultures sur milieu liquide artificiel). Il démontra également que les plantes assimilent le carbone du gaz carbonique, c'est à dire l'utilisent pour élaborer leur propre substance, mais se trompa, comme Sénebier, en affirmant que l'oxygène dégagé provient de ce gaz. Il remarqua que l'eau est indispensable au déroulement de ce phénomène mais il faudra les technologies sophistiquées du vingtième siècle pour montrer que l'oxygène dégagé provient en réalité de la décomposition des molécules d'eau.

A la fin du dix-huitième siècle, il est donc acquis que les plantes respirent comme les animaux mais qu'elles ont, en plus, la capacité d'élaborer des matières organiques à partir de matières minérales lorsqu'elles sont placées à la lumière. Cette propriété, appelée autotrophie, leur permet de vivre, contrairement aux animaux, sans avoir à se nourrir de matériaux organiques issus d'autres êtres vivants. En somme, tous les autres êtres vivants (appelés maintenant hétérotrophes) dépendent doublement des plantes : pour se nourrir, soit directement (animaux mangeurs de plantes), soit indirectement (carnivores), mais aussi pour leur approvisionnement en oxygène puisqu'il est alors démontré que seules les plantes rejettent de l'oxygène dans l'atmosphère. Pourtant, l'essentiel reste encore à découvrir pour comprendre les mécanismes en cause.

En 1837, René Joachim Dutrochet (1776-1847), rendu célèbre par ses travaux sur la diffusion et l’osmose, découvre que le pigment vert des feuilles, la chlorophylle, est indispensable à la photosynthèse. Un pas décisif dans la compréhension des principes sous-jacents au fonctionnement des êtres vivants est franchi ensuite par un physicien et médecin allemand, père de la thermodynamique, J.R. von Mayer (1814-1878). Après avoir démontré l'équivalence entre énergie thermique et énergie mécanique, il applique ses idées aux plantes et affirme : "Les plantes prennent une force, la lumière, et engendrent une force, l'énergie chimique". On sait aujourd’hui qu’il avait raison, qu’il y a équivalence entre l'énergie chimique et l'énergie lumineuse, comme entre toutes les formes d'énergie. Et cette formidable propriété de réaliser et d'utiliser à son profit des conversions énergétiques est une des caractéristiques fondamentales du vivant.

En 1862, Julius van Sachs (1832-1897), sans doute le plus grand physiologiste végétal de son temps, démontre que la photosynthèse se déroule dans des organites microscopiques, appelés aujourd’hui « chloroplastes », contenus dans les cellules des feuilles. Ils contiennent la chlorophylle et synthétisent de l'amidon à la lumière. En 1893, pour rendre compte de l'ensemble de ces caractéristiques, le botaniste américain Charles Reid Barnes (1858-1910), invente le terme de photosynthèse. La structure de la molécule de chlorophylle fut étudiée avant la seconde guerre mondiale par deux chercheurs allemands, Richard Willstaëter (1872-1942), qui la cristallise en 1906 et obtient le prix Nobel de chimie en 1915, et par Hans Fischer (1881-1945), qui en établit la structure chimique et obtient le prix Nobel de chimie en 1930. Cependant, c'est le formidable développement de nouvelles techniques d'analyse, de purification, de marquage isotopique, etc. qui, dans la deuxième moitié du vingtième siècle, devait permettre de décrypter les mécanismes intimes de la chimie de la photosynthèse au niveau moléculaire.

 

Quelques jalons dans l'histoire de la biologie végétale

La botanique fut pendant longtemps une science descriptive de classification et d'utilisation médicinale et agronomique des espèces végétales.

  • Dans l'antiquité, Théophraste, disciple d'Aristote, distingua les monocotylédones des dicotylédones et établit la notion de plantes dioïques, c'est à dire dont les fleurs sont hermaphrodites, contrairement aux plantes monoïques qui portent des fleurs, soit mâles, soit femelles.
  • Au XVIème siècle, les grands voyages d'exploration sont l'occasion pour les scientifiques de rapporter différentes espèces de plantes des quatre coins du monde. Césalpin et Gaspard Bauhin entament la classification des plantes.
  • Aux XVIIème et XVIIIème siècle, Tournefort définit le genre. Bernard et Antoine de Jussieu, en définissant les familles, sont les promoteurs d'une classification "naturelle" des plantes. Carl von Linné (1707-1778) décrit plusieurs dizaines de milliers d'espèces et invente une méthode de classification des plantes qui se basait sur les différences morphologiques de leurs organes sexuels, les fleurs. Elle a depuis cédé la place à une classification fondée sur les relations de parenté évolutive entre les plantes appelée classification phylogénétique.
  • Au cours du XIXème siècle, Pyrame de Candolle et Adolphe Brongniart décrivent et classent eux aussi le monde végétal.

L'étude de l'anatomie et de la physiologie des végétaux a permis d'établir les fonctions reproductrices des étamines (organes mâles) et du pistil (organe femelle) au XVIIème siècle. La circulation de la sève et le dégagement d'un gaz par les plantes furent respectivement démontrés en 1727 et 1779. Cependant, il fallu attendre 1898 pour que le russe Narvaschine mette en évidence la double fécondation chez les angiospermes.

La découverte de la photosynthèse et l'identification de ses mécanismes s'est étendue sur deux siècles et les recherches se poursuivent pour en décrypter les mécanismes moléculaires les plus intimes.

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