La lumière, un facteur primordial…

Par expérience, la réussite de la culture des orchidées dépend d'abord du bon équilibre entre l'éclairement, la température et l'eau (arrosage et humidité de l'air), d'où la création du système de contrôle bioclimatique qui équipe nos serres et systèmes. Parmi ces paramètres, la lumière est le facteur primordial pour la croissance des plantes et leur développement. Pourtant la lumière fournie aux plantes est bien souvent totalement inadaptée, d'abord par sa quantité mais aussi sa qualité, durée, incidence et périodicité qui affectent aussi énormément leur développement.


La difficulté de compréhension du besoin des plantes vient sans doute des différences fondamentales entre la vision humaine et la photosynthèse. Pour un humain, la lumière est principalement une source d'information, par l'intermédiaire de la vision, alors que pour une plante c'est d'abord sa source d'énergie, via la photosynthèse, avant d'être source d'information via des récepteurs spécialisés.


La quantité de lumière est souvent insuffisante…

Au milieu d'une pièce bien éclairée à nos yeux d'une incroyable sensibilité, la plante ne trouve que bien maigre pitance… on y mesure par beau temps de 200 à 400 lux, parfait pour vivre mais tout de même l'équivalent d'un ombrage qui filtrerait 99,8% de la lumière solaire! Seules quelques rares plantes de sous-bois, dont certaines plantes d'intérieur, sont adaptées à ce genre de conditions. Contre une fenêtre et dans les mêmes conditions, l'éclairement grimpe à 1000-1500 lux. Parmi les orchidées les moins exigeantes en lumière, le phalaenopsis (qu'on voit chez tous les fleuristes) demande tout de même 10 fois plus de lumière qu’il ne recevra au bord de cette fenêtre. Hors de question de le laisser au milieu de la table du séjour!


Bien sûr l'intensité de la lumière varie beaucoup au cours de la journée. Un rayon de soleil, et la plante reçoit 10 fois trop de lumière. Si ce rayon ne dure pas trop longtemps, son énergie viendra s'ajouter à celle reçue auparavant et en moyenne la plante va peut-être trouver son compte d'énergie, sinon… c'est la brulure du feuillage qui peut être irrémédiable.


Signes d’un manque de lumière: feuilles vert trop foncé, nouvelles feuilles très allongées et plus courtes que les précédentes, absence de floraison.

Signes d’un excès de lumière: traces de brulures (taches rondes  et sèches), les feuilles sont chaudes, la croissance diminue, les feuilles deviennent vert jaune ou se teintent de rouge suivant les espèces.


Des besoins définis par l’évolution et l’adaptation…

L'évolution a conduit au cours de générations à une diversité d'espèces dont les exigences, inscrites dans leur génome, correspondent à des biotopes (conditions environnementales) bien précis. Pour une espèce donnée, ces exigences sont stables de génération en génération.


Durant son existence une plante peut se trouver confrontée à des changements de son biotope; dans la forêt un arbre peut tomber et plus de lumière va atteindre telle orchidée accrochée à un arbre voisin. Plus prosaïquement, une plante cultivée par un horticulteur dans une serre tropicale va être vendue et brutalement émigrer vers un intérieur désertique et sombre.


Si le changement n'est pas trop brutal, un phénomène d'adaptation intervient qui permet à la plante de modifier dans certaines limites ses mécanismes internes pour survivre à ces nouvelles conditions. Ceci explique qu'il soit possible de faire refleurir chez soi des plantes qui à priori n'y trouvent pas les conditions de leur biotope d'origine. Il ne faut pas s'étonner tout de même si la floraison n'est pas aussi "glorieuse" qu'au moment de l'acquisition et si une déviation supplémentaire même temporaire des conditions environnementales devient fatale. 


Lorsqu’on souhaite adopter chez soi des espèces dont les exigences ne sont pas compatibles avec son habitat, la meilleure solution est tout de même de placer les plantes dans un environnement contrôlable, comme une serre d'intérieur intelligente qui créera un biotope adéquat et leur permettra de croître et de fleurir dans les meilleures conditions. C’est le respect minimum que l’on doit à la biodiversité.


La photosynthèse…

La lumière est phénomène vibratoire, une onde électromagnétique, mais pour les physiciens, et pour les plantes, c'est aussi un flot de corpuscules, les photons, véritables "grains" d'énergie, dont le potentiel énergétique dépend de la fréquence de leur vibration. On caractérise la lumière plutôt par sa longueur d'onde, inversement proportionnelle à la fréquence. Ainsi, un photon "bleu" de longueur d'onde 440 nm (nanomètres) est 1.5 fois plus énergétique qu'un photon "rouge" à 660nm.


Dans les cellules chlorophylliennes des feuilles, au sein d'organites appelés chloroplastes, ce véritable bombardement de photons agit à l'échelle moléculaire sur les centres de la photosynthèse. L’énergie des photons, tout au moins de certains d’entre eux, est d’abord captée par des chaines de pigments, sortes de concentrateurs de lumière appelés "antennes collectrices". Ces pigments (majoritairement des molécules de chlorophylles et de carotènes) ne réagissent (résonnent) qu'à certaines longueurs d'onde, ou couleurs. Ces antennes sont donc adaptées à certaines longueurs d’onde, finalement comme une antenne radio!


Lorsqu'un photon possédant la "bonne" couleur heurte une molécule de pigment, elle en absorbe l'énergie et le photon disparait puisqu’il n’est qu’énergie. La molécule atteint ainsi un niveau d’énergie anormal et va retourner à un état plus stable en transférant cette énergie principalement par résonance à une molécule de pigment voisine. De proche en proche, l'impulsion énergétique se propage parmi les centaines de molécules de pigments de l'antenne, jusqu'à un centre de réaction où se situent deux molécules particulières de chlorophylle capables d'absorber cette énergie.


Cette absorption et les réactions photochimiques associées constituent la première phase de la photosynthèse, dite "phase claire" parce qu'elle fait intervenir la lumière. Dans cette phase, le centre réactionnel exploite cette impulsion énergétique pour "briser" des molécules d'eau, dont l'oxygène est libéré (celui qu'on respire) et dont l'hydrogène ira ensuite, dans une deuxième phase biochimique dite "phase sombre" (parce que le lumière n'intervient pas), se recombiner avec le carbone de l'air pour former des sucres, utilisables ensuite pour la croissance de la plante. 


La photosynthèse est un phénomène "quantique", c'est-à-dire qui dépend seulement du nombre de photons qui atteignent le centre de réaction, et non de leur longueur d'onde. La couleur intervient au niveau de la "sélection" des photons par les pigments des antennes collectrices. Ce qui compte pour la croissance d'une plante c'est la quantité totale de photons qu'elle a reçus au cours d'une journée. Il est ainsi possible, dans certaines limites, de compenser une intensité de lumière trop faible par une durée plus longue.


La qualité de la lumière...

Outre la différence de perception de la quantité de lumière nécessaire entre l'oeil et la feuille, la qualité de la lumière (les composantes qui lui donnent sa couleur) joue aussi un rôle primordial. L'oeil est approximativement dix fois plus sensible au vert qu'au rouge ou au bleu.  Au contraire, la chlorophylle, absorbe principalement les photons "rouges" pour les transférer aux centres de réaction de la photosynthèse. Les photons "bleus" sont aussi absorbés, mais leur énergie supplémentaire par rapport aux photons "rouges" est dissipée en chaleur. Le reste de la lumière solaire est pratiquement inexploité, et donc les photons "verts", "jaunes", "orangés" et "infrarouges" sont rejetés, par réflexion et par transmission au travers des feuilles, et peuvent atteindre notre oeil. C'est  ce qui donne cette belle couleur verte aux feuilles, puisque notre oeil est plus sensible au vert et ignore complètement l'infrarouge!


Ainsi pour "alimenter" de manière optimale une plante il faut l'éclairer principalement avec du rouge et un peu de bleu. Si le vert et le jaune sont absents, l'oeil ne pourra le voir, et il ne pourra pas non plus voir le rouge et le bleu qui auront été absorbés par la chlorophylle. Du coup, les feuilles paraîtront noires puisque aucune lumière n'en sera réfléchie. La plante sera repue de photons, mais le spectacle sera décevant!


Les autres effets de la lumière…

Comme évoqué au début, une plante exploite la lumière pour d'autres usages que la photosynthèse, par exemple l’orientation de ses tiges et feuilles (tropisme), le déclenchement de la floraison par la variation de la durée du jour, la croissance en hauteur par détection de la présence de plantes voisines envahissantes, etc…. Les plantes possèdent ainsi des pigments spécialisés qui agissent comme des capteurs d'information plutôt que comme des capteurs d'énergie. Les spectres d'absorption de ces pigments peuvent être proches de ceux utiles pour la photosynthèse, comme le bleu, mais d'autres peuvent se situer en dehors du spectre consacré à la photosynthèse (400-700 nm), par exemple dans le proche infrarouge. La sensibilité à ces différents signaux est très grande et la réaction très rapide: un bref flash de lumière au milieu de la nuit peut ainsi "réveiller" une plante et l'empêcher de fleurir si elle a besoin de nuits longues pour y parvenir!


Ces informations sont exploitées de manière différente suivant les plantes et les phases de croissance. Il est donc important de pouvoir adapter le niveau relatif de ces couleurs en fonction du type de culture et du but recherché (semis, croissance, floraison, etc…). Il faut aussi contrôler la périodicité de l'éclairage suivant le rythme biologique de la plante: certaines espèces ont besoin de jours courts pour fleurir, d'autres de jours longs, et d'autres y sont insensibles.

 
Et les LEDs dans tout ça?...

Sans entrer dans les détails techniques, les différentes sources d'éclairages disponibles jusqu'à peu produisent des lumières de qualité très variable, c'est-à-dire que la composition (le spectre) de leur lumière comporte des proportions différentes de bleu, vert, jaune, orangé et rouge, sans parler de l’infrarouge qui est en grande partie inutile ou même néfaste pour les plantes.


Avec l'arrivée des LEDs (light emitting diodes) à base de semi-conducteurs, la lumière produite par les modèles unicolores est très pure, presque monochromatique. L'intensité de la lumière émise (nombre de photons par seconde) est fonction du courant qui traverse la diode. Connaissant les caractéristiques électriques de chaque diode, on peut calculer l’énergie rayonnée. Bien que leur spectre ne soit pas exactement monochromatique, le calcul intégral permet de déterminer le nombre de photons émis pour chaque longueur d’onde.


Le rendement de la conversion de l’énergie électrique en lumière par une LED est très bon (environ 20%), du moins comparé aux sources traditionnelles. De plus le spectre produit par une LED étant très pur, aucun photon n'est gaspillé si la couleur des LEDs correspond à l’absorption maximale de la photosynthèse.


Il est donc possible de construire un système d’éclairage avec une combinaison de diodes de couleurs optimales pour la photosynthèse et pour le développement de la plante (morphogenèse), et ceci avec un très bon rendement énergétique. En outre, il est facile de faire varier l'intensité de chacune des couleurs et leurs proportions pour adapter la qualité de la lumière à la phase de croissance de la plante.  Ces variations de la qualité de la lumière peuvent déclencher des réactions, comme la floraison, la germination de semis ou la croissance en hauteur. Un système de contrôle bioclimatique intelligent peut ainsi faire varier finement ces paramètres en fonction des saisons et des plantes en culture.


NB: Une LED blanche est en fait constituée d'une LED bleue recouverte d'une couche fluorescente, comme celle des tubes du même nom, qui fournit un spectre lumineux plus ou moins "froid" (avec plus de bleu résiduel) ou "chaud" (plus de rouge). Elles permettent d'obtenir un éclairage plus agréable pour admirer ou inspecter le feuillage et les fleurs. Le spectre global du système d’éclairage peut être ajusté en le complétant par des diodes unicolores.


NB: Si la lumière émise par une diode et “froide” (pas d’infrarouges) il n’en est de même de la diode elle même qui gaspille 80% de l’énergie qu’elle reçoit en chaleur. Les semi-conducteurs étant très sensibles à la température, il faut équiper les diodes d’un bon dissipateur de chaleur pour leurs permettre d’atteindre l’espérance de vie très longue (~80 000h) qui les caractérise.


Focaliser la lumière…

Les LEDs émettent la lumière suivant un faisceau conique d'angle variable suivant les modèles, par exemple 120 degrés. En plaçant de nombreuses LEDs de faible puissance sur un quadrillage serré on peut obtenir une intensité suffisante pour des plantes assez exigeantes en lumière. Le cône de projection de l'ensemble est alors assez large, typiquement 120° ce qui est intéressant pour un éclairage rapproché du feuillage, d'autant plus que les LEDs ne produisent pas de rayonnement infrarouge, pour celles qui nous intéressent, et donc ne chauffent pas les feuilles.


Lorsqu'on veut éclairer une surface importante on éloigne la source, mais ce faisant, l'énergie reçue par les feuilles est divisée dans la rapport du carré de la distance, du moins pour une source ponctuelle. Ainsi lorsque la distance passe de 20cm à 1m, l'énergie reçue est divisée par 25 (1m= 5x20cm, 5x5=25). Le problème est d'ailleurs similaire lorsqu'on veut éclairer une plante qui pousse en hauteur; le haut reçoit assez de lumière mais pour les feuilles basses, c'est presque la nuit. Pour avoir un niveau d'éclairement identique pour des distances différentes, il faut focaliser la lumière pour que la surface éclairée (le “cercle” de lumière) reste la même dans chaque cas.


Heureusement il existe pour les LEDs de nombreuses solutions à base de lentilles ou de réflecteurs. Le tout est de prévoir ces options à la construction du système d'éclairage et de pouvoir calculer l'angle du faisceau en fonction  du contexte: distance des plantes, exigence en lumière des espèces, puissance des LEDs, nombre de sources, etc…


NB: ce problème ne se pose pas avec le soleil qui est si lointain que la variation de distance entre le soleil et le haut ou le bas d'un arbre est bien sûr infinitésimale!



Et pour mes orchidées?…

Dans la forêt tropicale humide d'où proviennent beaucoup des orchidées qui nous intéressent, le couvert feuillu est tel que très peu de lumière parvient au sol. Certaines plantes s'y sont pourtant adaptées et on les retrouve dans nos intérieurs parce que justement elles sont moins "gourmandes" en lumière, tel l'universel philodendron. Beaucoup des orchidées disponibles commercialement sont des espèces qui ont souvent évolué vers un mode végétatif dit "épiphyte"  (du grec "sur un végétal"). Elles s'accrochent par leurs racines à la surface des branches, sans pour autant parasiter les ressources de leur support, ce qui leur permet de prendre de la hauteur pour atteindre des environnements beaucoup mieux exposés à la lumière. Chaque espèce vit ainsi dans un biotope qui lui est favorable et qu'il faut connaitre pour pouvoir le reproduire au mieux dans nos intérieurs. En ce qui concerne la lumière, les espèces d'orchidées les moins gourmandes, comme les phalaenopsis, vivent dans des zones qui reçoivent 10 à 15% de la lumière frappant le sommet de la canopée, tandis que d'autres, comme les vandas, reçoivent environ 50% et exigent donc un sérieux apport complémentaire de lumière en intérieur!  Heureusement, grâce au rendement des LEDs, quelques dizaines de watts d'éclairage à LEDs vont suffire à les satisfaire!



Comment mesurer la lumière…

On appelle  "rayonnement photosynthétiquement actif" (RPA, ou PAR de l'anglais Photosynthetically Active Radiation) la lumière dont le longueur d'onde est utilisable par la photosynthèse (entre 400nm et 700nm). Ce rayonnement est quantifié par son flux, en nombre de photons par seconde, puisque c'est ce nombre qui va déterminer le niveau d'activité photosynthétique d'un centre de réaction. Il est habituellement qualifié au niveau de la surface éclairée par la mesure du "flux de photons photosynthétiques" (FPP ou en anglais PPFD pour Photosynthetic Photon Flux Density). Ce PPFD s'exprime en μmol/s/m2 c'est à dire en "micromoles de photons par seconde et par mètre carré" (la mole est une unité chimique, sans dimension, égale à 6.022 10^23, nombre d'Avogadro).


Pour mesurer la quantité de lumière fournie aux plantes il faut donc pouvoir "compter" le nombre de photons qu'elle reçoit avec un capteur spécialisé, dit "capteur PAR". Les instruments de mesure courants comme les luxmètres ne conviennent pas car ils mesurent l'énergie de la lumière (qui dépend de la longueur d'onde) et non le nombre de photons. De plus, tous les instruments utilisés pour la perception de la lumière par l'homme corrigent leur mesure d'énergie lumineuse par la courbe de réponse de l'oeil (le rouge et le bleu sont divisés par 10 par rapport au vert). Un luxmètre est donc doublement inadapté pour évaluer le niveau d'éclairement pour les plantes.


Le luxmètre est quand même souvent utilisé par facilité et parce que la connaissance des mécanismes intimes de la photosynthèse ne date que d'une quinzaine d'années. Les mesures en Lux (ou Footcandle aux USA) ne sont exploitables que pour une même source et seulement pour des mesures relatives. Ainsi un horticulteur déclarant qu'il mesure 50,000 Lux  sur ses vandas à midi lorsqu'il fait plein soleil nous apprendra qu'il leur procure 50% d'ombrage sachant qu'il a mesuré 100,000 Lux à l'extérieur de sa serre. En fait les données d'ombrage en pourcentage sont aussi utiles parce qu'il est possible de les exploiter avec n'importe quelle unité.


Un luxmètre est totalement inadapté pour mesurer un éclairage artificiel fournissant un spectre très différent du spectre solaire, surtout si les mesures sont utilisées pour comparer différents types d’éclairages avec des valeurs de “référence” trouvées dans les ouvrages d’horticulture basées sur la lumière solaire. Le rouge et le bleu vont être sous-estimés dans un rapport 10, avec en plus l'incertitude due à la courbe de correction souvent imprécises dans ces zones. Le capteur PAR est donc largement préférable, bien qu'il donne le même poids au vert qu'au bleu et au rouge, ce que ne fait pas la photosynthèse. Idéalement il faudrait un capteur PAR corrigé par la courbe d'action de la photosynthèse, mais il n’existe pas de norme internationale pour cette courbe, comme il en existe pour la réponse de l'oeil aux différentes couleurs du spectre.




NB: Ce texte traduit l'expérience et les lectures de l'auteur, et ne constitue pas une référence scientifique. Pour en savoir plus:


Biologie végétale:

Université Pierre et Marie Curie - Biologie et Multimédia

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/index.htm


et en particulier:

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese-cours/index.htm


Wikipedia: article sur la Photosynthèse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photosynthèse


Photosynthesis

http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/biobk/biobookps.html


Plant Physiology (5th edition) by Lincoln Taiz and Eduardo Zeiger - Sinauer - ISBN 978-0-87893-565-9



Biotopes et culture:

La Forêt Tropicale Humide (Françis Hallé)

http://foretstropicaleslefilm.wordpress.com/category/francis-halle/


INA - orchidées

http://www.ina.fr/economie-et-societe/vie-sociale/video/CPF10004886/l-infini-des-orchidees.fr.html

http://www.ina.fr/economie-et-societe/vie-economique/video/VDD09005623/culture-des-orchidees.fr.html

http://www.ina.fr/sciences-et-techniques/la-vie/video/CPA86011839/l-homme-et-les-orchidees.fr.html


Fiches de culture d'orchidées:

http://lalam.pagesperso-orange.fr/tableau_culture.html


Société Française d'Orchidophilie

http://www.sfo-asso.com/


American Orchid Society

http://www.aos.org/



Information technique:

Wikipedia - Diode électroluminescente

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_électroluminescente


LED-fr.net

http://www.led-fr.net/led.htm


Nuages de mots réalisés sur:

http://www.wordle.net/



Producteurs d'orchidées:


Marcel Lecoufle

http://www.orchidee-lecoufle.com/


Orchidées Nature

http://orchidees.jimdo.com/


Vacherot & Lecoufle

http://www.lorchidee.fr/