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Feuillus et conifères couverts de neige

Feuillus et conifères couverts de neige (Couleur, Pixabay)

Les STIM en contexte

Comment les arbres survivent-ils à l’hiver?

Parlons sciences
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6.47
Sujets

Résumé

Stratégies d’adaptation des arbres pour survivre à l’hiver dans les climats nordiques.

Lorsqu’il fait froid dehors, tu portes probablement une tuque et des mitaines pour te garder au chaud. Les arbres ne peuvent se couvrir de cette façon. Ils ont plutôt recours à plusieurs stratégies d’adaptation leur permettant de survivre à la saison froide. 

Tout d’abord, dans les climats froids comme celui du Canada, on trouve deux grands types d’arbres, soit les feuillus et les conifères. Les feuillus perdent leurs feuilles pour l’hiver, tandis que les conifères conservent les leurs, souvent appelées « aiguilles », toute l’année. On dit que ce sont des arbres à feuilles persistantes. Ces deux types d’arbres sont adaptés pour survivre aux basses températures. Certaines stratégies d’adaptation sont les mêmes pour les deux et d’autres diffèrent. 

érable à sucre et Norvège
Les feuillus, comme l’érable à sucre montré sur l’image de gauche, perdent leurs feuilles en automne. La plupart des conifères, comme les épinettes de Norvège montrées sur celle de droite, ont des aiguilles qui restent vertes toute l’année (Sources : Boris Crépeau [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons et MPF [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons).

Attention aux idées fausses!
Le terme « conifère » vient du mot « cône », qui désigne la structure reproductive de ce type d’arbres. Certains conifères perdent leurs aiguilles en automne. Citons à titre d’exemple le mélèze, dont les aiguilles virent alors au jaune doré.

À quelles stratégies d’adaptation les arbres ont-ils recours pour résister aux basses températures?

L’écorce des arbres constitue leur première ligne de défense contre le froid. Leur écorce extérieure les protège contre les maladies, les insectes, les orages et les températures extrêmes. Pleine d’alvéoles, elle sert d’isolant pour l’arbre, un peu de la même manière que l’isolant dans les murs de votre maison.

Les feuilles des arbres utilisent aussi des stratégies d’adaptation aux basses températures. 

C’est dans les feuilles que se produit la photosynthèse, c’est-à-dire le processus par lequel les plantes utilisent l’énergie du soleil pour combiner chimiquement le dioxyde de carbone et l’eau afin de produire des sucres. Les arbres utilisent ensuite ces sucres comme source d’énergie. 

La transpiration est l’autre processus important qui se produit dans les feuilles. En effet, les feuilles sont dotées de pores, appelés « stomates », dont l’ouverture et la fermeture sont commandées par les cellules de garde. Au cours de la transpiration, les stomates rejettent de l’oxygène et de la vapeur d’eau. Lorsque l’eau s’échappe par les stomates, de l’eau provenant des racines est transportée par le xylème vers les parties aériennes de l’arbre.

Diagrammes montrant un stomate ouvert (à gauche) et un stomate fermé (à droite)
Diagrammes montrant un stomate ouvert (à gauche) et un stomate fermé (à droite) (Parlons sciences, image d’Ali Zifan [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

 

Comme le sol est gelé en hiver, les racines des arbres ne peuvent avoir accès à de l’eau à l’état liquide. C’est pour empêcher la perte d’eau par la transpiration que les feuillus perdent leurs feuilles en automne. Le terme technique « abscission » désigne la chute des feuilles.

Mais qu’en est-il des conifères? La plupart ne perdent pas leurs aiguilles. Alors, comment résistent-ils au temps froid et sec de l’hiver?

Les conifères ont recours à différentes stratégies d’adaptation : 

  1. Leurs aiguilles sont longues et minces, si bien qu’elles ont une faible superficie et que, par le fait même, elles comportent peu de stomates entraînant une perte d’eau. En outre, leur étroitesse aide à empêcher que la neige s’accumule et brise les branches.
  2. Les stomates des conifères se trouvent au creux des aiguilles, et non à leur surface. La poche d’air statique ainsi créée à l’intérieur de chaque aiguille réduit la transpiration davantage que si l’air était en mouvement.
  3. Les aiguilles des conifères sont dotées d’une cuticule épaisse et cireuse sur leur partie externe. La cire limite la perte d’eau, de la même manière que le papier ciré utilisé en cuisine évite l’assèchement des aliments.
Coupe transversale d’une aiguille de pin
Cette image au microscope représentant une coupe transversale d’une aiguille de pin montre l’emplacement du phloème (1), du xylème (2), de la cuticule (3) et du stomate (4) (Parlons sciences utilisant une image d’Anatoly Mikhaltsov [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

 

Comment les arbres se préparent-ils à affronter l’hiver? 

En automne, les arbres commencent à se préparer en prévision de leur dormance. Ils demeurent en état de dormance tout au long de l’hiver. Pendant cette période, leur métabolisme, autrement dit leurs « processus internes », ralentit. Les arbres ne consomment pas beaucoup d’énergie et cessent de croître, ce qui leur permet de conserver leur énergie pour rester vivants durant la saison froide. 

De plus, les arbres commencent alors à modifier la « gestion de l’eau » dans leurs tissus. 

On trouve sous l’écorce d’un arbre des tissus qui transportent l’eau, les sucres et les autres nutriments dans un flux ascendant ou descendant. C’est en quelque sorte la plomberie de l’arbre. Ce système renferme deux principaux types de tissus de transport qui servent de conduits. Le xylème transporte l’eau et les nutriments des racines aux feuilles, tandis que le phloème transporte les sucres des feuilles de l’arbre vers ses autres parties. On appelle « sève » les fluides qui circulent ainsi à l’intérieur de l’arbre.

Cette coupe transversale d’un arbre montre l’écorce extérieure ainsi que le phloème et le xylème
Cette coupe transversale d’un arbre montre l’écorce extérieure ainsi que le phloème et le xylème. (Parlons sciences utilisant une image de la bibliothèque d’images du Berkshire Community College Bioscience [domaine public] via Wikimedia Commons).

 

Le phloème et le xylème transportent à l’intérieur de l’arbre une grande quantité d’eau. Si elle gèle, cette eau risque de détruire les cellules de l’arbre du fait que les cristaux de glace sont pointus et qu’ils peuvent déchirer leur paroi. Il est donc important que les « conduits » internes ne renferment pas d’eau susceptible de geler. C’est le même principe que pour les conduits dans une maison. 

Un moyen utilisé par l’arbre pour empêcher les dommages causés par la glace consiste à contrôler les endroits où elle se forme. La glace se forme forcément autour d’un noyau. À l’extérieur, ce peut être autour de choses comme des grains de poussière. Dans les végétaux, la glace peut se former autour de certains types de molécules appelées « noyaux glaçogènes ». Les arbres produisent des protéines qui agissent comme noyaux glaçogènes et ils les envoient entre les cellules. 

Quand la glace commence à se former, de l’eau à l’état liquide est extraite des cellules de l’arbre. À mesure que la quantité d’eau extraite va en augmentant, la sève qui reste à l’intérieur des cellules renferme de plus en plus de sucres. Elle devient alors très épaisse et sirupeuse, si bien que son point de congélation tombe en-dessous de la température environnante. C’est ce qui réduit le risque de gel. 

En plus des noyaux glaçogènes, les arbres produisent des protéines antigel, qui aident à empêcher la formation de cristaux de glace par temps froid.

Le savais-tu? 

Il est possible d’extraire la sève de certaines essences d’arbres, par exemple l’érable à sucre. Pour obtenir le sirop d’érable dont bien des gens raffolent sur leurs crêpes et leurs gaufres, on fait bouillir la sève afin de la concentrer par évaporation! 

Des seaux suspendus sous l’entaille des érables à sucre recueillent la sève au début du printemps
Des seaux suspendus sous l’entaille des érables à sucre recueillent la sève au début du printemps (Source : Davepape [domaine public] via Wikimedia Commons).

 

Donc, à l’automne, alors que l’arbre gère son eau et ses feuilles de façon à se protéger, il est prêt à tomber en dormance pour le long hiver. Au début du printemps, lorsque les températures commencent à remonter, tous ces processus s’inversent graduellement. C’est à ce moment que l’on voit poindre les feuilles sur les arbres et que toutes les plantes reprennent leur croissance! 

Comment les arbres survivent à l'hiver? (2019) par MinutePourLaTerre (2 mins 40 secs).

Points de départ

Connecter et Relier
  • Comment t’adaptes-tu au temps froid pendant l’hiver?
  • As-tu déjà vu la sève couler d’un arbre au printemps? Décris ce que tu as vu.
  • Aimes-tu le sirop d’érable? Donne des précisions.
Connecter et Relier
  • Comment t’adaptes-tu au temps froid pendant l’hiver?
  • As-tu déjà vu la sève couler d’un arbre au printemps? Décris ce que tu as vu.
  • Aimes-tu le sirop d’érable? Donne des précisions.
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Devrait-on financer des travaux de recherche visant à découvrir des moyens de faire pousser en climat froid, par exemple dans l’Arctique, des plantes des climats chauds? Justifie ta réponse.
  • Fais une recherche sur les technologies mises au point par les humains pour protéger les plantes ou les faire pousser dans des conditions de croissance défavorables, par exemple durant l’hiver.
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Devrait-on financer des travaux de recherche visant à découvrir des moyens de faire pousser en climat froid, par exemple dans l’Arctique, des plantes des climats chauds? Justifie ta réponse.
  • Fais une recherche sur les technologies mises au point par les humains pour protéger les plantes ou les faire pousser dans des conditions de croissance défavorables, par exemple durant l’hiver.
Explorer les Concepts
  • Quelles sont les stratégies d’adaptation qui permettent aux plantes de survivre dans des environnements où la température descend sous le point de congélation? Donne des précisions.
  • Les plantes peuvent-elles tous survivre aux températures hivernales? Justifie ta réponse.
  • Les organismes vivants ont-ils tous un « plan de survie »? Présente une argumentation.
  • Quel rôle la photosynthèse joue-t-elle dans la dormance d’un arbre?
Explorer les Concepts
  • Quelles sont les stratégies d’adaptation qui permettent aux plantes de survivre dans des environnements où la température descend sous le point de congélation? Donne des précisions.
  • Les plantes peuvent-elles tous survivre aux températures hivernales? Justifie ta réponse.
  • Les organismes vivants ont-ils tous un « plan de survie »? Présente une argumentation.
  • Quel rôle la photosynthèse joue-t-elle dans la dormance d’un arbre?
Suggestions pour les enseignants
  • L’article et les ressources connexes peuvent servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la biologie en ce qui a trait à l’anatomie des plantes, aux cellules des plantes, aux stratégies des plantes et aux arbres. Ils introduisent les concepts de stratégie d’adaptation, de conifère, de feuillu, d’écorce, de stomate, de cellule de garde, d’abscission, de cuticule de feuille, de dormance, de xylème, de phloème, de noyau glaçogène et de protéine antigel.
  • L’article peut aussi aider les élèves à mieux comprendre les liens entre les facteurs abiotiques et biotiques dans l’écosystème.
  • Pour se familiariser avec le sujet et rafraîchir leurs connaissances antérieures, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur un Billet d’entrée. Il est possible de télécharger les fiches reproductible prête à utiliser pour cet article en formats [Document Google] et [PDF]. 
  • Pour consolider les connaissances acquises sur les stratégies d’adaptation utilisées par les arbres, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur un Tournoi à la ronde – Mes questions. Il est possible de télécharger les fiches reproductible prête à utiliser pour cet article en formats [Document Google] et [PDF]. 
  • Les élèves peuvent concevoir une recherche pour étudier l’incidence de la température sur la croissance et le développement de divers types de plantes.
Suggestions pour les enseignants
  • L’article et les ressources connexes peuvent servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la biologie en ce qui a trait à l’anatomie des plantes, aux cellules des plantes, aux stratégies des plantes et aux arbres. Ils introduisent les concepts de stratégie d’adaptation, de conifère, de feuillu, d’écorce, de stomate, de cellule de garde, d’abscission, de cuticule de feuille, de dormance, de xylème, de phloème, de noyau glaçogène et de protéine antigel.
  • L’article peut aussi aider les élèves à mieux comprendre les liens entre les facteurs abiotiques et biotiques dans l’écosystème.
  • Pour se familiariser avec le sujet et rafraîchir leurs connaissances antérieures, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur un Billet d’entrée. Il est possible de télécharger les fiches reproductible prête à utiliser pour cet article en formats [Document Google] et [PDF]. 
  • Pour consolider les connaissances acquises sur les stratégies d’adaptation utilisées par les arbres, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur un Tournoi à la ronde – Mes questions. Il est possible de télécharger les fiches reproductible prête à utiliser pour cet article en formats [Document Google] et [PDF]. 
  • Les élèves peuvent concevoir une recherche pour étudier l’incidence de la température sur la croissance et le développement de divers types de plantes.

En savoir plus

Comment et quand les plantes se préparent pour l'hiver (2013) Le Soleil -- Cet article explique l'importance qu'ont la température et la durée d'ensoleillement sur les processus de préparation à l'hiver des plantes.

Comment les plantes se protègent-elles du froid? (2013) Gerbeaud -- Cet article présente la classification des plantes selon leur stratégie de survie à l'hiver et les différentes stratégies employées.

Un arbre en hiver (2020) Espace pour la vie Montréal -- Cet article explique comment les arbres se préparent pour survivre l'hiver.

Références

Cocker, M. (n.d.). How do trees survive in winter? Tiré de https://www.theguardian.com/yorkshire-tea-amazing-trees/2018/nov/15/how-do-trees-survive-in-winter

Gambino, M. (2016, February 23). Survival Adaptations: How Trees Cope with Winter. Tiré de http://www.friendsofreadwildlifesanctuary.org/news-and-events/curators-corner/survival-adaptations-how-trees-cope-with-winter/

Gupta, R., & Deswal, R. (2014, December). Antifreeze proteins enable plants to survive in freezing conditions. Tiré de https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25431421

Lyndon Tree Care & Landscaping. (2017, January 28). How do Trees Survive Winter? Tiré de https://www.lyndontreecare.com/educate/2017/1/28/how-do-trees-survive-winter

Nix, S. (2019, April 5). Process of How Trees Absorb and Evaporate Water via Roots and Leaves. Tiré de https://www.thoughtco.com/process-of-using-water-by-trees-1343505

North Carolina Forestry Association. (n.d.). Parts of a Tree. Tiré de https://www.ncforestry.org/teachers/parts-of-a-tree/

Perez-Watkins, M. (2019, February 1). How Do Trees Survive The Winter. Tiré de https://www.nationalforests.org/blog/how-do-trees-survive-the-winter

Richford, N. (2018, December 14). Difference Between Deciduous and Coniferous. Tiré de https://homeguides.sfgate.com/difference-between-deciduous-coniferous-72832.html

Scientific American. (1997, July 15). FOLLOW-UP: How do trees carry water from the soil around their roots to the leaves at the top? Clearly, they are fighting gravity--so how do they do it? Tiré de https://www.scientificamerican.com/article/follow-up-how-do-trees-ca/

Spears, T. (2017, January 30). Science of Winter: Why trees don't freeze when it's freezing. Tiré de https://ottawacitizen.com/news/local-news/why-trees-dont-freeze-when-its-freezing