Physique de l'ascension de la sève: mécanismes et biomimétisme – PHYSAP

Tout d'abord, nous commencerons par une observation détaillée des embolies dans des feuilles réelles et du bois à très haute fréquence, optiquement avec une caméra rapide fonctionnant à plusieurs milliers d'images par seconde ou sous rayons X rapides. Les enregistrements acoustiques dans la gamme de MHz donneront également de précieuses informations. Ces observations sans précédent pourraient élucider les raisons encore inconnues de la propagation abrupte et intermittente des embolies. Une attention particulière sera accordée à la différence entre les espèces d'arbres.
Ensuite, nous reconstruirons les réseaux hydrauliques de base en élastomère, afin de pouvoir modéliser la vitesse de propagation de l'embolie. Nous utiliserons des techniques microfluidiques pour créer les réseaux. Comme approximation de départ, des rétrécissements dans les canaux imiteront les ponctuations reliant les conduits ensemble. Une approximation plus précise sera d'inclure des membranes avec de petits pores, qui seront plus proches des ponctuations réelles. Nous développerons également des canaux biomimétiques avec régulation de flux intégrée, dans le but de modéliser les stomates qui régulent le flux d'évaporation dans les feuilles réelles.
Troisièmement, nous aborderons un modèle de canaux plus proche des systèmes réels, avec de l'eau sous pression négative dans des microcanaux rigides en hydrogel. La propagation de la cavitation d'un canal à l'autre sera testée lorsque les canaux seront isolés. Ensuite, nous irons vers un réseau de canaux plus réalistes, avec de la sève en écoulement et des topologies plus complexes. Ces trois approches expérimentales seront complétées par un effort de modélisation visant à aborder le rôle des paramètres physiques et chimiques de l'échelle des conduits au réseau du xylème sur la dynamique de propagation d'embolie. Le principal résultat scientifique du projet sera une compréhension détaillée de la résistance des arbres à la sécheresse. Cela peut s'avérer utile à des fins agricoles et pour la modélisation des effets du changement climatique sur les arbres.

. Ces trois approches expérimentales seront complétées par un effort de modélisation visant à aborder le rôle des paramètres physiques et chimiques de l'échelle des conduits au réseau du xylème sur la dynamique de propagation d'embolie. Le principal résultat scientifique du projet sera une compréhension détaillée de la résistance des arbres à la sécheresse.

Cela peut s'avérer utile à des fins agricoles et pour la modélisation des effets du changement climatique sur les arbres. De nouveaux dispositifs biomimétiques régulant l'humidité, ou conçus pour la microfluidique évaporative, s'inspireront également de ce projet.

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Le présent projet vise à comprendre la physique du réseau le plus important sur terre pour les animaux vivants : le réseau hydraulique conduisant la sève vers les feuilles, ce qui permet une photosynthèse efficace et une production d'oxygène libérée dans l'atmosphère. Nous proposons ici d'explorer la rupture de ce réseau hydraulique après des périodes de cavitation, lors de forts stress hydriques, qui devraient survenir dans un contexte de changement climatique global avec des épisodes de sécheresse plus sévères.
L'objectif de cet ambitieux projet réunissant physiciens et biologistes est d'obtenir une compréhension physique de la propagation de la cavitation à l'échelle des conduits dans les plantes. La cavitation est une embolie gazeuse qui a tendance à se propager et à arrêter la circulation de la sève. Mais le mécanisme exact et la dynamique de la propagation de l'embolie ne sont pas encore clairs.
Trois phases seront menées en parallèle pour poursuivre cet objectif :
Tout d'abord, nous commencerons par une observation détaillée des embolies dans des feuilles réelles et du bois à très haute fréquence, optiquement avec une caméra rapide fonctionnant à plusieurs milliers d'images par seconde ou sous rayons X rapides. Les enregistrements acoustiques dans la gamme de MHz donneront également de précieuses informations. Ces observations sans précédent pourraient élucider les raisons encore inconnues de la propagation abrupte et intermittente des embolies. Une attention particulière sera accordée à la différence entre les espèces d'arbres.
Ensuite, nous reconstruirons les réseaux hydrauliques de base en élastomère, afin de pouvoir modéliser la vitesse de propagation de l'embolie. Nous utiliserons des techniques microfluidiques pour créer les réseaux. Comme approximation de départ, des rétrécissements dans les canaux imiteront les ponctuations reliant les conduits ensemble. Une approximation plus précise sera d'inclure des membranes avec de petits pores, qui seront plus proches des ponctuations réelles. Nous développerons également des canaux biomimétiques avec régulation de flux intégrée, dans le but de modéliser les stomates qui régulent le flux d'évaporation dans les feuilles réelles.
Troisièmement, nous aborderons un modèle de canaux plus proche des systèmes réels, avec de l'eau sous pression négative dans des microcanaux rigides en hydrogel. La propagation de la cavitation d'un canal à l'autre sera testée lorsque les canaux seront isolés. Ensuite, nous irons vers un réseau de canaux plus réalistes, avec de la sève en écoulement et des topologies plus complexes. Ces trois approches expérimentales seront complétées par un effort de modélisation visant à aborder le rôle des paramètres physiques et chimiques de l'échelle des conduits au réseau du xylème sur la dynamique de propagation d'embolie. Le principal résultat scientifique du projet sera une compréhension détaillée de la résistance des arbres à la sécheresse.Cela peut s'avérer utile à des fins agricoles et pour la modélisation des effets du changement climatique sur les arbres. De nouveaux dispositifs biomimétiques régulant l'humidité, ou conçus pour la microfluidique évaporative, s'inspireront également de ce projet.