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Mettre en relation l'indice stomatique des végétaux avec la quantité de CO2 atmosphérique.

I.Les faits actuels

 

             - Exemple du Quercus Patraea 

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index_recent1.jpg
Figure 1 : Mise en relation de la teneur de l'atmosphère en CO2 et l'indice stomatique de chênes contemporains. Voir le fichier index_stomatique.xls

 

 
 

Principe : Les feuilles des plantes vasculaires modernes montrent une corrélation inverse entre le pourcentage de cellules épidermiques qui sont des stomates, appellé indice stomatique, et la pression partielle atmosphérique en CO2 .

            - Exemple de deux espèces conservées : Ginkgo et Metasequoia

 

stomaindex.jpg
Figure 2 : Lien entre la pression partielle en  CO2 et l'index stomatique pour deux espèces actuelles.

D'après Royer et al (2001, Science, 292 : 2310-2313)

Le figure 2 nous fourni un autre exemple de cette corrélation. L'exemple ci-dessus est d'autant plus intéressant que ces deux espèces ont été conservées au cours de l'évolution. Les résultats actuels pourront donc être appliqués aux fossiles.      

II.Les données paléontologiques

 

 En utilisant des taxons anciens  comme le Ginko ou le Metasequoia, il est posssible d'utiliser cette corrélation en appliquant les résultats actuels (obtenus sous atmosphère contrôlée en CO2 ) aux données fournies par des fossiles. Cette méthode permet de reconstituer les paléoniveaux de CO2 ( voir figures 3,4)
ginkoancien.jpg
Figure 3: Comparaison de feuilles de Ginko Biloba moderne avec une espèce fossile du crétacé terminal Ginko adiantoide.

Barre d'échelle = 1cm
 

D'après royer et al.(2003, Paleobiology, 29 : 84-104)

 

Le chêne se prête aussi a ce type d'investigation...

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index_fossile.jpg
Figure 4 : Mise en relation de la teneur de l'atmosphère en CO2 et l'indice stomatique de chênes fossiles.

Voir le fichier index_stomatique.xls

 


        - Un exemple de reconstitution des paléoniveaux de CO2

Le Paléogène inférieur  (-65 à -45 Ma) et le  Miocène moyen  (-17,5 à 15,5 Ma) représentent les périodes les plus chaudes de l'histoire de la Terre depuis l'extinction des Dinosaures. Ces époques constituent un intervalle idéal pour étudier la dynamique climatique d'une période globalement chaude.

En utilisant une série de 25 sites de plantes fossiles contenant des cuticules de  Ginko  et  Metasequoia ,  les chercheurs ont été capables de reconstituer les variations du CO2 pour les deux intervalles évoqués précédemment. Durant ces deux périodes le CO2 variait entre 300 et 450 ppm excepté une brève incursion à la fin du Paléocène.

Ces données ont permis de mieux comprendre les liens entre les périodes climatiques étudiées et le taux de CO2 atmosphérique. Elles ont aussi une implication actuelle, tandis que le CO2 atmosphérique risque de dépasser dans un futur proche les taux évoqués précédement...
 

stommio.jpg
Figure 5:  Les paléoniveaux de CO2 pour le Paléocène moyen et le début de l'Eocène (A) et le Miocène moyen (B).

D'après Royer et al. (2001, Science, 292 : 2310-2313°

 

Remarque : Parceque les stomates répondent aux variations de pression partielle de CO2, il est possible d'utiliser aussi cette propriété comme paléoaltimètre. La pression partielle diminuant avec l'altitude.

 

    III. Détermination de l'indice stomatique en travaux pratiques




Comment déterminer les concentrations atmosphériques passées ? On propose de caler le travail de l’élève sur celui du chercheur.

Rappel : Les feuilles des plantes vasculaires montrent une corrélation inverse entre le nombre de leurs stomates et la quantité de CO2 atmosphérique. On utilise pour quantifier les différences un indice, l’indice stomatique (c'est le rapport entre le nombre de stomates et le nombre de cellules épidermiques).

Application pratique : Les paléoclimatologues ont trouvé un allié inattendu : le Ginkgo biloba. Connu depuis le Permien, les restes fossiles montrent un état de conservation remarquable des stomates. Les chercheurs ont pu compter les stomates et reconstituer les quantités de CO2 atmosphérique passées.

En classe, les élèves peuvent déterminer l’indice stomatique à partir d’une feuille de ginkgo actuel et/ou d’une feuille d’un arbre ayant poussé sous atmosphère contrôlée en CO2. On peut ainsi évaluer la pCO2 à partir de l'indice stomatique calculé.

Protocole envisageable : On recouvre la surface inférieure de la feuille à l'aide d’un vernis incolore. On obtient une pellicule que l’on peut enlever et mettre entre lame et lamelle pour une observation microscopique. Les cellules épidermiques et les stomates y sont visibles. On propose alors de numériser la préparation à l’aide d’un appareil photographique numérique ou d’une webcam. L'image numérique peut être exploitée avec le logiciel mesurim qui permet de faire un comptage et de déterminer facilement l’indice stomatique.

pourdiaporamar.jpg   Agrandir l'image


Exploitation du comptage :

On obtient en laboratoire sous atmosphère controlée en CO2, une relation entre l'indice stomatique et la PCO2 sous la forme d'une relation approchant le type y=ax+b.

Selon la courbe : Indice stomatique I (%)= -0,09 pCO2 (ppm) +41,6

donc   pCO2 = -((Indice-41.6)/0.09)

 


Résultats :

L’indice stomatique a été calculé sur 3 échantillons :

Indice I1 =10,34 soit 347 ppmv de CO2
Indice I2 =6,4 soit 391 ppmv de CO2
Indice I3 =9,7 soit 336 ppmv de CO2

Soit une moyenne de 377 ppmv (contre 370 ppmv mesuré actuellement)


tp_stomatesr.jpg   Agrandir l'image

Voir les diapositives ppt.

Lire des publications de Dana Royer sur ce sujet  (en anglais), format .pdf