Introduction M1 - UE Biophysique des tissus végétaux 2016

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1 Introduction M1 - UE Biophysique des tissus végétaux 2016
Meriem Fournier

2 Compétences sur les outils d’analyse d’image
Objectifs : Développer les compétences en sciences physiques d’étudiants biologistes dans le cadre de la formalisation de problèmes de biologie (écologie ou physiologie) végétale. Réfléchir aux relations entre biologie et physique - pour formaliser des relations structure-fonction formaliser ce qui propre aux systèmes biologiques (régulation, auto-construction …) ou commun à tous les systèmes physiques Aucune volonté d’exhaustivité … et très orienté biomécanique avec impasse sur la conversion d’énergie (photosynthèse) !. Choix de problèmes mettant en avant l’échelle du tissu végétal mais impliquant des changements d’échelle (gène, cellule, tissu, organisme, écosystème) « Survol » de problèmes pointus et découverte de problématiques de recherche Compétences sur les outils d’analyse d’image Compétences en dendrométrie Un mini projet « estimation du carbone dans un arbre sur pied », préparation des FEN et des BFD aux problématiques carbone Une sortie en forêt de Haye « recherche en biomécanique de l’arbre » Préparation des BFD aux cours de « Xylologie avancée » Evaluation = un examen (tous documents autorisés) avec quelques questions courtes et un exercice directement issu du mini projet + un contrôle continu (CR de TP d’analyse d’image)

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4 L’UE va surtout parler de bois Mais il faut entendre bois comme modèle de « tissu » Pour réfléchir à ce que sont les « fonctions biophysiques » d’un tissu

5 Challenge chez les plantes: la multi-functionalité
Le même organe a plusieurs fonctions reproduction defense Soutien mécanique metabolisme Transport d’eau Mise en réserves Transport d’assimilats Croissance Exemple des tiges Et la sélection naturelle agit sur l’organe (et même l’individu) entier Pas sur une fonction particulière «soutien » ou « transport » ou …

6 Les fonctions du bois dans l’organisme arbre
« Squelette » Fonctions biophysiques Soutien de la structure « Muscle » Système vasculaire Contrôle de la posture Tropismes Transport de la sève brute Défenses contre les xylophages Réserves d’amidon Nutrition Système immunitaire

7 Fonctionnalité mécanique du tissu bois
Fonctionnalité mécanique du tissu bois ? Pourquoi cet arbre ne se supporte-t-il pas ? Très certainement plus à cause de sa morphologie qu’à cause d’une qualité défectueuse du bois. Mais on peut se demander s’il est possible de compenser une morphologie trop élancée (trop haut et pas assez épais) par un bois « hyper rigide »

8 Anatomie des tissus (= histologie)
Anatomie des tissus (= histologie) ? Plus généralement, description de la structure

9 Macro (cm  m) Stem Tige Meso ≈ mili (0.5mm  10mm)
Micro (1µm  100µm) Nano (1nm  100nm) (from Harrington 1998) Molecular (1Å  10nm)

10 Les relations « structure fonction » Y-a-t-il un lien entre la structure et les fonctionnalités ou qualités biophysiques d’un tissu ? (Et pour le bois ou d’autres matières premières végétales ‘Y-a-t-il un lien entre les qualités biophysiques et les qualités industrielles du bois ?’)

11 Challenge chez les plantes: la multi-functionalité
Le même organe a plusieurs fonctions reproduction defense Soutien mécanique metabolisme Transport d’eau Mise en réserves Transport d’assimilats Croissance Exemple des tiges Et la sélection naturelle agit sur la structure globale du tissu Pas sur une fonctionnalité particulière «soutien » ou « transport » ou …

12 Anatomie végétale : les cellules
Cytoplasme délimité par une membrane, noyau, réticulum, appareil de Golgi, mitochondries, vésicules Cours de 2nde

13 Matériaux cellulaires industriels :
Many materials have a cellular structure, with either a two-dimensional array of prismatic cells, as in a honeycomb, or a three-dimensional array of polyhedral cells, as in a foam.  Engineering honeycombs and foams can now be made from nearly any material:  polymers, metals, ceramics, glasses and composites, with pore sizes ranging from nanometers to millimeters.  Their cellular structure gives rise to a unique combination of properties which are exploited in engineering design: their low weight make them attractive for structural panels, their ability to undergo large deformations make them ideal for absorbing the energy of impacts, their low thermal conductivity make them excellent insulators, and their high specific surface area make them attractive for substrates for catalysts for chemical reactions.  Cellular materials are increasingly used in biomedical applications.  Open-cell titantium foams are used to replace trabecular bone … Lorna Gibson Web site, M.I.T. Implant dentaire Mousse titane « nid d’abeille » Aluminium Mousse, polyéthylène Cellules fermées

14 Anatomie végétale : les cellules
Point de vue du physicien des matériaux sur la fonctionnalité biophysique des cellules Tissu = Matériau cellulaire = bonne performance mécanique/légèreté Matériau poreux et semi-poreux = peut transporter des fluides avec des gradients osmotiques La paroi végétale doit être rigide et résistante en tension pour assurer la performance mécanique et pour supporter une forte pression hydrostatique interne (0.5 – 1 MPa !) générée par les gradients osmotiques

15 Le xylème mature est mort, il assure encore des fonctions

16 et cellules spécialisées
Fonctions du bois et cellules spécialisées Vasculaire Squelette Fibres, bois final Vaisseaux Bois initial Muscle Bois d e réaction Immunitaire Canaux résinifères et laticifères Nutrition Parenchymes

17 Révisions d’anatomie du bois
Feuillu ou résineux ? Légende des types cellulaires ?

18 Révisions d’anatomie du bois
Coupe transversale ou tangentielle ? Légendes ? (trachéides, bois initial et final, limite de cerne …) Sapin ou Epicéa ?

19 Aperçu de la diversité des plans ligneux (espèces tropicales guyanaises)

20 Et ça c’est quoi ? Duramen et aubier
Aubier : bois conducteur où les parenchymes sont vivants Duramen : Bois non conducteurs où les parenchymes sont morts Thylles, excroissances cellulaires produites par les cellules vivantes du parenchyme bordant les vaisseaux. Elles obturent les vaisseaux devenus non fonctionnels.

21 La paroi péricellulaire végétale

22 Anatomie végétale : la paroi
Adhésion permanente des parois entre elles : pas de motilité des cellules végétatives dans l’organisme réseau pariétal= continuum solide cellulaire (apoplasme), à bord fermé par la paroi extérieure de l’épiderme Territoires cellulaires connectés : continuité du cytoplasme Très grande évolution de la paroi au cours de la vie de la cellule (en masse, en composition en degré de polymérisation ou de cristallinité, en rhéologie –viscosité -) = différenciation ; Importance des cellules mortes où ne reste que le solide cellulaire constitué du réseau pariétal : faisceaux et fibres des tissus rigides et/ou durs : bois, sclérenchymes

23 Anatomie végétale : la paroi des fibres et trachéides de bois
Composée de pectine, cellulose cristalline et amorphe, hémicelluloses, lignines Arrangements dans l’espace Point de vue du physicien La paroi est un composite À fibres Stratifié

24 Composites à fibres Le terme "composites à fibres" désigne des matériaux modernes à base de résines plastiques, de céramiques, de carbone ou de métaux, renforcés par des fibres. La définition ci-dessus peut s'appliquer à des "multi-matériaux" plus anciens comme le torchis (un des premiers matériaux de construction utilisés par l'homme) ou le béton armé, et même à des matériaux naturels comme le tissu osseux ou le bois. Pratiquement tous les composites sont constitués d'éléments discontinus appelés renforts, noyés dans une phase continue appelée matrice. Schématiquement, les renforts assurent une part importante de la tenue mécanique (rigidité et résistance) du composite, tandis que la matrice maintient les renforts en position, transfère les efforts entre eux, et assure toutes les autres fonctions techniques. Il peut par exemple s'agir d'une protection contre diverses agressions (thermiques, chimiques, chocs...), de fonctions esthétiques (couleur, aspect...), de donner sa forme extérieure au produit fini... Les renforts peuvent avoir plusieurs géométries, et les deux constituants peuvent être réalisés dans de nombreux matériaux. Cours Matériaux composites, ENS Cachan Fibre de carbone / cheveu Image en microscopie électronique à balayage d'un composite carbone/carbone après un freinage à haute énergie. Les aiguilles sont des fibres de carbone oxydées (taille de l'image 50µm). ISM de Mulhouse.

25 Un paramètre important en mécanique du bois,
l’  « angle des microfibrilles » Entre 0 et 50°, selon les bois AMF

26 Composites stratifiés
La stratification est une autre structure couramment rencontrée dans les pièces composites. Dans un stratifié, les fibres sont agencées en couches fines (quelques dixièmes de millimètre) nommées plis, qui sont empilées les unes sur les autres ; Au sein d'un pli, les renforts peuvent avoir n'importe quel type de disposition, pourvu qu'elle soit plane. En jouant sur l'ordre et l'orientation des plis, il est possible d'adapter finement les propriétés mécaniques du stratifié aux sollicitations extérieures, et donc d'atteindre un haut niveau d'optimisation en mettant la matière là où elle est le plus utile. Cours Matériaux composites, ENS Cachan GLARE (aluminium et composite verre/époxy) Compose le fuselage de l’Airbus 380

27 Physique ? WIKIPEDIA : La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Anciennement, elle correspond alors aux sciences naturelles ou encore à la philosophie naturelle. Au XXIe siècle, sa signification est plus restreinte : elle décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, les forces qui s'y exercent et leurs effets. Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution de systèmes. La signification ancienne de la physique rassemble l'actuelle physique, la chimie et les sciences naturelles actuelles. Glossaire Océanographie - Médiathèque de la Cité de la Mer : Science qui étudie les propriétés générales de la matière, de l'espace, du temps et établit les lois qui rendent compte des phénomènes naturels.

28 Biophysique ? La « machine » vivante La biomimétique
Appareillages et instrumentation Physique et biologie: une interdisciplinarité complexe  Par Bernard Jacrot,Eva Pebay-Peyroula,Claude Debru,Régis Mache Evelyn Fox Keller :« Physique et biologie, deux façons de penser le monde » La Recherche, avril 2007, p. 61

29 La « machine vivante » Des processus dont l’étude implique biologie et physique des tissus végétaux
 Mouvements (tropismes), flux de matière (sève, transferts de solutés …) Conversion d’énergie (photosynthèse) Perception de signaux physiques et morphogenèse (et tout processus physiologique impliquant le contrôle et la modification de « grandeurs physiques »)

30 Interaction plantes / facteurs physiques (« abiotiques ») Quel est le rôle du rayonnement solaire pour les plantes ? LUMIERE rayonnement solaire SOURCE D’ENERGIE UTILE Interception Absorption Rayonnement actif pour la photosynthèse (flux de C02) PHOTOSYNTHESE SIGNAUX plante (flux dinformations) « SOURCE » D’ENERGIE A PROBLEME PERCEPTION PAR LA PLANTE DES CONDITIONS D’ECLAIREMENT Photodestruction Manque d’énergie: accès à la lumière Direction modifications spectrales Durée Phototropisme Photopériodisme Photomorphogénèse

31 La « machine vivante » Des processus dont l’étude implique biologie et physique des tissus végétaux
 Les questions qu’on se pose sur ces processus Pourquoi et comment ça marche  ? quelles vitesses et temps caractéristiques, où ça se passe ? Quel « moteur » ? Comment c’est physiologiquement contrôlé : qu’est ce qui déclenche, active ou ralentit ? Comment se transmet et s’analyse le signal perçu ? Comment ça explique les propriétés observées (morphogenèse, rendement ...) ? Comment ça impacte le fonctionnement de l’écosystème, la « fitness » de l’organisme dans son environnement ? Comment c’est apparu dans l’évolution ? Physique Physio Ecologie

32 La « machine vivante » La biologie n’est pas réductible à la physico-chimie (cf Ernst Mayr « This is biology » 1997) Les organismes vivants sont constitués d’atomes et suivent donc les lois d’organisation et de fonctionnement de la matière Mais on n’a jamais vu une machine s’autoprogrammer, s’autoconstruire ou se procurer par elle même son énergie.

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34 Biomimétique Copier dans leurs principes les processus vivants pour élaborer des matériaux, des objets technologiques … L’histoire des produits VELCRO® commence au cours d’une promenade de Georges de Mestral en Cet ingénieur suisse remarqua combien il était difficile d'arracher de son pantalon les fleurs de chardon alpin. Il les observa au microscope. C’est alors qu’il comprit pourquoi elles se collaient avec autant d’insistance: elles étaient entourées d’une multitude de petits crochets qui jouaient le rôle de crochets résistants et se fixaient ainsi sur les poils des animaux et les tissus. Georges de Mestral, en inventeur expérimenté, sut aller plus loin et concevoir ce qui, avec du temps et de nombreux efforts, deviendrait un système de fermeture révolutionnaire. Née de la combinaison des syllabes initiales des mots français Velours et Crochet, la marque VELCRO® a depuis 1959 réuni sous son nom une gamme complète de produits qui ont simplifié les opérations de fermeture et de fixation.

35 Biomimétique

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38 Instrumentation Microscopie , spectroscopie /métrie, capteurs …
Microscopie , spectroscopie /métrie, capteurs …

39 Challenge chez les plantes: la multi-functionalité
Le même organe a plusieurs fonctions reproduction defense Soutien mécanique metabolisme Transport d’eau Mise en réserves Transport d’assimilats Croissance Exemple des tiges

40 Une question pratique, comment vous mesurez la « performance hydraulique » du bois?
joints Colonne d’eau tuyau écoulement Tronçon de tige w 40

41 Construire et analyser une formule physique :
joints Colonne d’eau tuyau écoulement Combien la tige transporte d’eau ? = flux d’eau w en kg/s Qu’est ce qui provoque un flux d’eau plus ou moins grand ? Un delta de pression P P Tronçon de tige L w 41

42 La conductivité de la tige
On définit la performance (la capacité de la tige à conduire l’eau) par une propriété K : Conductivité hydraulique de la tige : P w = flux d’eau en kg/s L = longueur de tige en m P = pression d’eau à l’entrée en ? K en ? L w kg m MPa-1 s-1 42

43 Construire ou analyser une formule physique :
On définit la performance (la capacité de la tige à conduire l’eau) par une propriété K : Conductivité hydraulique de la tige : P w = flux d’eau en kg/s L = longueur de tige en m P = pression d’eau à l’entrée en MPa K en ? L w Rq 1 : Unité de K Rq 2 : Pourquoi multiplier w/P par L pour définir K ? (2 tiges identiques soumises à la même pression, que devient le flux w quand on multiplie la longueur par 2 ?) kg m MPa-1 s-1 43

44 Une question importante Changer d’échelle : performance de la tige et performance du tissu
Capacité d’une tige à faire passer plus ou moins facilement un flux d’eau mis en mouvement par un delta de pression Est-ce que K caractérise la qualité du tissu (du bois) indépendamment de la quantité de tissu dans le tige ? 44

45 Les grandeurs physiques
Espace temps et mouvement Grandeurs fondamentales : Longueur (L, mètre), temps (T, seconde) Grandeurs dérivées : Superficie ( , ) Volume ( , ) Angle ( , ) Courbure ( , ) Fréquence ( , ) Vitesse ( , ) Accélération ( , ) Vitesse angulaire ( , ) …

46 Les grandeurs physiques
Espace temps et mouvements Grandeurs fondamentales : Longueur (L, mètre), temps (T, seconde) Grandeurs dérivées : Superficie ( L² , mètre carré ) Volume ( L3 , mètre cube ) Angle ( sans dimension, radians) Courbure (L-1, mètre –1 ou radian/mètre) Fréquence (T-1 , hertz) Vitesse (LT-1, mètre par seconde) Accélération (LT-2, mètre par seconde par seconde) Vitesse angulaire (T-1 , radian par seconde) …

47 Les grandeurs physiques
2) Mécanique Grandeur fondamentale : Masse (M) Grandeurs dérivées : Masse volumique () Force () Travail ou Energie () Puissance () Pression () … 3) Thermodynamique (°K, mole), 4) Électromagnétisme (Ampère)

48 Les grandeurs physiques
2) Mécanique Grandeur fondamentale : Masse (M, kilogramme) Grandeurs dérivées : Masse volumique (ML-3, kilogramme par mètre cube) Force (MLT-2, newton) Travail ou Energie (ML2T-2, Joule) Puissance (ML2T-3, Watt) Pression (ML-1T-2, Pascal) … 3) Thermodynamique (°K, mole), 4) Électromagnétisme (Ampère)

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