Climatologie

SVT spéTerminale : L’apport de la palynologie et l’étude des variations stomatiques En quoi l’étude des végétaux permet de reconstituer les climats anciens ?

Thomas MARTILOTTA Sonny PROVILLE Théo SOLANA

Introduction

Le climat est source de nombreuses inquiétudes aujourd’hui. De nombreux dérèglements s’opérent à l’échelle de la planète. On s’interroge sur le réchauffement climatique et ses conséquences irreversibles. L’implication des activités anthropiques est indéniable . On sait qu’au cours des temps géologiques , il y a eu plusieurs variations climatiques. L’étude des climats passé (paléoclimats) et des mécanismes responsables d’éventuelles variations de ces climats permet une meilleure compréhension de l’évolution du climat sur de longues périodes de temps. Sur les 800 000 dernières années, les témoins des conditions climatiques passées sont nombreux et autorisent des reconstitutions fiables. Les scientifiques utilisent plus de 700 indicateurs pour reconstituer les variations climatiques du passé. Nous nous interesserons plus particulièrement à la palynologie qui est l’étude des grains de pollens retrouvés dans les sols anciens ainsi qu’à l’indice stomatique des végétaux que nous mettrons en relation avec la quantité de CO2 atmosphérique. Comment la palynologie et l’étude des stomates nous permettent-elles d’affiner le modèle de l’évolution future du climat ?

Annonce du plan

Enfin dans une dernière partie , nous parlerons de l'intérêt de ces sciences pour la prévision des climats futurs.

Dans une première partie , après avoir défini le terme palynologie , nous essaierons de comprendre comment et dans quelles conditions l'étude des pollens peut nous renseigner sur les climats anciens ?

Dans une deuxième partie , nous définirons ce qu'est un stomate pour comprendre le lien entre indice stomatique et quantité de CO2 atmosphérique et nous rattacherons ce domaine à la climatologie.

La palynologie

Définition

La palynologie doit son nom aux botanistes Hyde et Williams qui, en 1944, ont appelé « étude de la poussière » la discipline qui étudiait le pollen et les spores, à partir du grec palunein (parsemer, saupoudrer.La palynologie étudie les grains de pollen et les spores, qu'ils soient actuels ou fossiles. Dans ce dernier cas, on parle de paléopalynologie. La palynologie se situe à l'interface de nombreuses disciplines, dont la botanique, la géologie et l'archéologie. Elle permet de décrire l'histoire d'un environnement végétal et ses variations, dues aux phénomènes naturels, comme les changements climatiques, et aux activités humaines : déforestations, agriculture, élevage.

Comment ça marche ?

Qui n'a jamais vu au printemps sur les bords des trottoirs , sur les voitures ou sur la ligne d'eau d'une piscine des dépôts de fines couches jaunes ? Oui , c'est bien du pollen. Les grains de pollen sont libérés en grand nombre au cours de la belle saison. Le pollen étant l'élément sexuel mâle, il est transporté sur le stigmate du pistil et il s'achemine, grâce au tube pollinique que produit sa germination jusqu'à l'élément sexuel femelle inclus dans la fleur. Le contenu cellulaire du pollen ne reste vivant que l'espace de 48 heures. Le pollen tombé sur le sol se fossilise facilement dans les sédiments.

Les conditions nécessaires à la fossilisation ? Des endroits privés de dioxygène car la partie fossilisable est détruite par oxydation. Ces endroits sont des tourbières ou sédiments de lacs.

Un pollen est constitué de plusieurs cellules. Ces cellules sont enfermées dans une enveloppe complexe constituée schématiquement de 2 parties : • l'intine constituée de polysaccharides est peu résistante et donc non fossilisable, • l'exine est formée de sporopollénine (matière organique terpénique polymérisée) qui n'est détruite que par oxydation. Elle est très résistante (imputrescible) et donc fossilisable. La taille : elle varie de 2,5µm pour le Myosotis à 200µm pour la Courge. ( 1µm =1 millième de millimètre ). Cette paroi possède une ornementation spécifique, ce qui permet au spécialiste de déterminer précisément l'espèce végétale à laquelle appartient le grain de pollen. On comprend donc que les pollens sont des indicateurs climatiques interessants puisqu'ils sont abondants , se répandent sur de grandes surfaces et sont les témoins des préférences ou exigences climatiques des végétaux.

Comment procèdent les scientifiques ?

Plusieurs étapes

D'abord le palynologue procède à des prélèvements dans des tourbières ou des sédiments de lacs grâce à des carottages. Ensuite , il passe au laboratoire pour extraire les grains de pollen , l'exine en particulier. Grâce à une clé de détermination , il va pouvoir savoir à quelle espèce végétale appartient ce pollen en l'observant au microscope électronique. Et enfin grâce à ses connaissances sur les préférences climatiques de ces végétaux , il pourra associer un végétal à un type de climat.

Allons plus loin !

diagramme pollinique

Quelles fluctuations climatiques depuis 100 000 ans ?

On constate 3 grandes phases de variations climatiques : Tout en bas une période chaude interglacière avec extension des arbres. Puis au milieu une période froide glaciaire avec extension de la steppe et enfin en haut une autre période chaude interglaciaire avec extension des arbres.

Indices stomatiques des végétaux

la science dispose d'autres outils pour etudier l'évolution des climats anciens

Que sont les stomates ? Pourquoi étudier les indices stomatiques des végétaux ? Lien entre indices stomatiques et climat Indices stomatiques comme témoins des climats anciens. Un modèle de prévision des climats futurs ?

Que sont les stomates ?

La feuille est une structure le plus souvent spécialisée dans la collecte de l’énergie lumineuse, mais également dans les échanges gazeux. Bien entendu, la structure de l’organe est adaptée à ces fonctions. On trouve ainsi des structures épidermiques destinées à permettre, mais aussi réguler, les échanges gazeux : les stomates. Ils sont donc essentiels à la photosynthèse. Les stomates sont des structures formées de deux cellules stomatiques délimitant une ouverture appelée ostiole. Ils sont situés dans l’épiderme de la feuille entre les cellules épidermiques non chlorophylliennes. Ces structures permettent les échanges gazeux avec l’atmosphère, en particulier l’absorption du CO2 atmosphérique.

Pourquoi étudier les indices stomatiques ?

le nombre de stomates par unité de surface varie en fonction de la teneur en CO2 atmosphérique. L’indice stomatique (IS) correspond au nombre de stomates (S) dénombré sur la face inférieure des feuilles par rapport au nombre total de cellules de cet épiderme, c’est-à-dire la somme des cellules non chlorophylliennes (CNC) et des stomates (S). Il est exprimé en %.

Pourquoi étudier les indices stomatiques ?

La méthode permettant de déterminer les concentrations anciennes du CO2 atmosphérique est fondée sur l'existence de structures cellulaires permettant aux végétaux chlorophylliens d'absorber du CO2 (pour la photosynthèse) : les stomates. On pourra retrouver ces stomates au niveau des feuilles fossilisées. L'indice stomatique est le rapport entre le nombre de stomates et le nombre de cellules épidermiques d'une feuille. D'après le graphique, plus la concentration atmosphérique du CO2 est élevée, plus cet indice stomatique est faible.

les indices stomatiques et les climats anciens?

Certaines espèces de végétaux comme le Ginkgo biloba sont présentes sur terre depuis plusieurs millions d'années ( dans ce cas précis 200 millions d'années ). En appliquant le principe d'actualisme , on peut comparer des valeurs actuelles obtenues expérimentalement et des valeurs obtenues à partir des fossiles.

les indices stomatiques et les climats anciens?

En utilisant des taxons anciens comme le Ginkgo 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

les indices stomatiques et les climats anciens?

Les valeurs actuelles donnent un indice stomatique de 9.3 ( teneur en CO2 350 ppmv ) contre 6.7 ( teneur en CO2 de 800 ppmv ) il y a environ 200 Ma. Aux incertitudes de mesures près, on constate que la teneur en CO 2 était beaucoup plus élevée il y a 200 Ma qu’actuellement. L’effet de serre devait être très important et la température moyenne plus élevée qu’aujourd’hui. ppmv = partie par million en volume ( fraction volumique correspond à un millionième )

Protocole expérimental

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.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)

Evolution températures moyennes depuis 65 millions d'années

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.

Les limites de la méthode

On considère que les phénomènes du passé sont les mêmes que les phénomènes actuels. On considère ainsi que la relation mise en évidence pour notre époque devait être la même que dans le passé. Cependant, beaucoup de végétaux anciens ont disparu et on ignore si leur indice stomatique variait réellement en fonction du pCO2 comme actuellement. Plus on recule dans le passé, plus on doit prendre les résultats avec précaution. Enfin, le nombre de fossiles valables pour calculer l'indice stomatique est fort réduit et est de plus en plus petit au fur et à mesure que l'on remonte dans le passé.

Quel est l'intérêt de ces connaissances scientifiques pour nous aujourd'hui ?

Des modèles de prévisions

Les variations climatiques actuelles inquiètent les spécialistes , la température moyenne du globe n'a jamais augmenté aussi vite sur une période aussi courte. Depuis la révolution industrielle ,la température moyenne de la France s'est élevé d'un degré.

+info

Inquiétude !

On observe que la planète connait des cycles d’environ 100 000 ans de hausse et de baisses de températures. Ceci est lié à la modification des paramètres orbitaux de la Terre, c’est-à-dire la forme plus ou moins circulaire de son orbite autour du soleil. Nous nous situons actuellement au niveau des 3 plus grands pics de réchauffement passés. Alors, phénomène naturel ? Absolument pas. Ce que nous vivons est unique, car le réchauffement s’opère à une vitesse jamais vu : le réchauffement observé durant les 30 dernières années s’observait dans le passé plutôt sur 1 500 à 3 000 années ! Bref, le réchauffement est 50 à 100 fois plus rapide que les phases précédentes de réchauffement.

Quel est l'intérêt de ces connaissances scientifiques pour nous aujourd'hui ?

Taux de CO2 et températures

Palynologie et indices stomatiquesdes clés pour anticiper les climats du futur

La palynologie permet de présenter des modélisations pour les climats futurs à partir d'observations sur le terrain.

Les indices stomatiques quant à eux vont nous apporter des informations sur la concentration en CO2 dans l'atmosphère.

Conclusion

De même l’étude des indices stomatiques des végétaux actuels et des végétaux fossiles permettent de prédire quelle sera l’adaptation du milieu à un climat donné. Mais prédire n’est pas suffisant , l’urgence climatique commande d’agir notamment pour limiter les gas à effet de serre.

Pour les scientifiques , les seules modélisations mathématiques de logiciels ne sont pas suffisantes , l’étude sur le terrain est essentielle : lorsque le palynologue procède à un carottage , il commence une enquête qui va le conduire dans le passé pour mieux comprendre ce qui se passera dans le futur dans des conditions quasi similaires.

Merci de votre attention!