DU MILIEU EXTERNE AU POINT DE VUE DES GAZ QUIL CONTIENT

Une exposition bien nette de l’état actuel de nos connaissances sur les relations des liquides avec les gaz est assez difficile à faire sans entrer dans quelques détails, à cause de la nature même des relations que nous devons considérer. Bien des questions appartenant au domaine de la physique pure y sont encore non élucidées; et j'ai dû parfois entreprendre des recherches personnelles pour éclairer tel problème dont la solution m'était absolument nécessaire.

Quant aux connaissances que l’on possède sur les solutions gazeuses considérées comme milieu d’un grand nombre d’êtres vivants, aucun auteur n’a cherché à les réunir pour en former

une théorie générale. J’ai essayé de le faire dans ce qui suit, et, si cette introduction paraît un peu longue, } espère qu’on voudra me Île pardonner, à cause de. l'importance du sujet pour la biologie générale; il est certain, du resté, que sans une semblable introduction, l'exposé de mes recherches eût été à peu près impossible à faire d’une manière compréhensible.

Division de cette étude.

La connaissance du milieu comprend trois questions :

:1° Dans quelles proportions les gaz se: trouvent-ils dans l’eau ?

9° Chez tous fes êtres aériens, animaux ou végétaux, les échanges gazeux sont dominés par la pression propre des gaz obintet Peut-on trouver une définition de la pression propre d'un gaz dissous qui permette d'exprimer d’une manière simple les échanges gazeux des êtres vivants dans l’eau?

3° Enfin les plantes étudiées renfermant des gaz libres sépas rés du milieu par une paroi continue, il est nécessaire de considérer d’abord le cas plus simple où le gaz libre n’est séparé du liquide par aucune paroi; quelles sont les conditions d'équilibre d’une bulle libre sous l’eau et comment s’y opèrent les échanges gazeux ? |

Ces trois questions peuvent se résumer sous les titres suIvants : 1° NT — 2° pression propre; — a bulle sous Peau.

4° Solubilité.

Lorsqu'un gaz est placé sous une pression déterminée en présence d’un liquide, il se dissout jusqu’à ce qu’un équilibre spécial existe entre le gaz et sa solution. Dans cette solution, le gaz n’a pas gardé son état : il est réellement liguéfié, aussi bien qu'un morceau de sucre le serait dans l’eau; on a pu s’en assurer d’après la densité des solutions gazeuzes et aussi par la quantité de chaleur dégagée pendant la solution. Gette remarque a son importance, comme nous le verrons plus loin.

Les lois de la solubilité, énoncées par Henry et Dalton, peuvent se résumer en une seule qui est la suivante :

A une température donnée, il existe un rapport constant $ entre le volume v du gaz dissous, mesuré sous la pression extérieure H après l'absorption, et le volume N du liquide absorbant. Si plusieurs gaz sont en présence du même liquide, chacun d'eux se dissout comme s’il était seul.

Le rapport constant :

est ce qu’on appelle le coefficient de solubilité du gaz dans le liquide considéré. Si V—1, on af8—v; c'est-à-dire que le coefficient de solubilité indique la quantité v de gaz dissoute dans l’unité de volume.

On remarquera sans doute que dans cette expression la pression n’est pas représentée; mais on peut l’introduire, s’il en est besoin. Si le volume v, dont la pression est H, était répandu dans un volume libre égal à V, sa pression deviendrait k et l’on aurait : | |

cH= VA

Des deux égalités précédentes on tire facilement les deux suivantes : | h=H£"(1) DE)

Ces formules permettent de calculer sans aucune difficulté soit le volume v du gaz qui doit se dissoudre dans un liquide de volume V, mesuré sous la pression finale H; soit la pression H sous laquelle s'était effectuée la solution du volume » de gaz dans le volume V de liquide. Ces deux problèmes se sont souvent présentés dans la série de ces recherches.

Le coefficient de solubilité dans l’eau varie avec la nature du gaz et avec la température ; voici les valeurs trouvées par Bunsen (4) pour le gaz que nous avons à considérer :

(1) Voy. Traité de physique, par M. Violle, p. 913.

, Az ou CO?

Ont n 0,02035 0,04114 1,7967 5....... 0,01794 0,03628 1,4497 AD. 0,01607 0,03250 1,1847 TOP eee 0,01478 0,02989 1,0020 20. QE 0,01403 0,02838 0,9014

De ceci résulte que la composition centésimale de l’air dissous dans l’eau doit être très différente de celle de l'air

libre; voici en effet ces deux compositions centésimales vers 15 degrés :

Air libre. Air dissous, O2... 0,04 CO®..... 2,19 Disk. 20,80 ON iA. 33,98 Roue 19,16 re NUE 63,82

Il y a plus d'oxygène que dans l’air et même le gaz carbonique, grâce à sa grande solubilité, y est en proportion notable, tandis que dans l'air il n’y en a que quelques dix-millièmes. Ces remarques sont importantes à faire comme nous le verrons plus tard. Il est même très intéressant de remarquer qu’une proportion de 2 pour 100 de gaz carbonique dans l'air libre suffit pour que l'air dissous contienne une proportion de nine de 50 pour 100 de ce gaz.

2 Pression propre.

Le mot force élastique d'un qaz dissous dans un liquide n’a aucun sens par lui-même; mais, pour pouvoir exposer simplement les résultats expérimentaux trouvés dans ce travail, nous appellerons force élastique d’un qaz dissous dans un liquide la force élastique que ce gaz devrait avoir dans AP qui surmonte le liquide pour qu’il y ait équilibre.

1. Hypothèse sur la constitution des solutions gazeuses. — On considère assez souvent un liquide comme un milieu saturé de ses propres vapeurs, ou plutôt comme un corps poreux liquide dans lequel les YAPEUTS sont à l’état de saturation continuelle.

54 ce nie cf, : DEVAUX:

Nous pouvons étendre cette hypothèse aux solutions gazeuses et QUE que le corps que nous appelons gaz se trouve en partie à l’état liquide et en partie à l’état réellement gazeux dans les espaces laissés libres entre les particules liquides, assimilant ainsi complètement le liquide à un corps poreux. Si cette hypothèse était exacte, la force élastique du gaz contenu dans ces canaux ramifiés que laissent entre elles les particules liquides devrait être égale, pour qu’il y ait équilibre, à la force élastique du gaz qui surmonte le liquide, et par conséquent serait justement ce que nous appelons la force élastique Pique . ei dissous. j

9. Porosité des : bpuidi — A côté donc de la solubilité des liquides pour les gaz, nous devrions considérer leur porosité (4): Or, il existe un fait important qui confirme la nécessité de cette distinction, car l'étude de la diffusion des gaz à travers la masse d’un liquide (2) montre que les deux seuls facteurs spéciaux aux liquides sont : l’un un coefficient $ qui n’est autre, que le coefficient de solubilité propre au liquide

et au gaz, l’autre le facteur Da qui correspondrait à la poro-

sité et serait indépendant de la nature du liquide : ce dernier facteur est le seul qui existe pour la diffusion à travers une lame de graphite, et Graham appelle celle-ci une diffusion intermoléculaire, ce qui témoigne qu’il la considère comme s’effectuant dans les see sie laissent les molécules “entre elles.

Faisons remarquer qué les dimensions dés espaces inter-

(1) Gette notion de la notés té est FRA de l’état de mouvement ou

de repos que l’on suppose aux molécules liquides.

(2) M. Wroblewski a étudié la marche de la’ diffusion pendant les premiers -instants du phénomène (voy. le Traité de physique de M. Violle, t. I, p. 995, où se trouvent les renseignements bibliographiques). Sesrecherches s'accordent avec celles d'Exner (id., 993); et la vitesse de diffusion des gaz peut s’expri-

mér par 14 for mule simple v— Fes =; Pour plus de détails, voyez à la page 77),

“et'surtout à la page 170 où nous ETATS que, dès que l’effet du coefficient 8 de solubilité est annulé, les vitesses relatives sont comme’ dans l'air.

moléculaires ne peuvent varier sensiblement que sous des actions d’une puissance colossale, se mesurant par centaines et peut-être par milliers d’atmosphères. Au plus profond des océans leur diminution est extrêmement faible, puisque la compressibilité de l’eau n’est que de . environ pour 1000 atmosphères. Inversement, pour dilater d’une quantité même très petite les espaces intermoléculaires, on a calculé, d’après certaines données de la capillarité, qu’il faudrait faire agir une force d'expansion dans ces espaces dépassant plusieurs centaines d’atmosphères. En un mot, dans les circonstances ordinaires , les dimensions des pores intermoléculaires sont sensiblement invariables.

3. Déplacement des gaz dissous. — Puisque à l’intérieur de ces pores 1l existe, par hypothèse, des gaz libres, ces gaz devraient toujours avoir la même force élastique que les gaz extérieurs. Mais les espaces contenant ces gaz libres étant extrêmement petits, les gaz ne peuvent s’y mouvoir qu'avec une lenteur extrême : on a reconnu en effet que, lorsque le liquide est immobile, il faut plusieurs jours, des mois parfois quand la masse est profonde de quelques décimètres, pour qu’un gaz libre nouveau, mis en présence du liquide, se mette en équilibre complet avec lui (2).

4. Sursaturation. — Grâce à la lenteur des déplacements des gaz dans les pores du liquide et à l'invariabilité des dimensions de ces pores, toutes les fois qu’une variation brusque de la pression du gaz extérieur aura lieu, ce ne sera que par une variation très lente que la pression du gaz extérieur pourra se remettre en équilibre avec la première. C’est à cette lenteur de la diffusion des gaz au sein de leurs solutions que nous devons rapporter les phénomènes de sursaturation; la force élastique peut avoir un excès de pression de plusieurs atmo-

(1) Voy. Comptes rendus de l'expédition du Challenger. (2) Voy. Graham, Ann. de chimie, 1850, XXIX, 197.

sphères dans les espaces intermoléculaires sans que le gaz puisse sortir, à cause de la résistance énorme qu’il y aurait à vaincre pour les dilater. Nous aurons à considérer bien souvent cet intéressant phénomène dans le cours de notre étude; mais je dois signaler tout particulièrement l'immense intérêt qu’il présente, en permettant d'obtenir une solution gazeuse à l’intérieur de laquelle les forces élastiques, telles que nous les avons définies, sont plus grandes que celles des gaz libres contenus dans l’atmosphère qui surmonte le liquide. (Pour

plus de détails, voyez à la page 101.)

5. Échanges gazeux avec une surface libre. — Aucune bulle ne peut librement apparaître au sein d’une solution sursaturée, car toute bulle assez petite est comme écrasée par l’attraction moléculaire. Mais partout où les pores viennent s'ouvrir librement à l’extérieur, un courant actif tend à rétablir l’équilibre des forces élastiques. C’est ce qui à lieu à la surface même de la solution; mais l’immobilité du liquide et le peu de surface rendent ce départ tellement lent que l’eau sursaturée, par exemple, de gaz carbonique, peut être laissée à l’air libre dans un vase un peu profond, et garder un goût piquant même au bout de plusieurs jours (1). Mais si, au contraire, on agite vivement la solution avec l’air, des bulles nombreuses multiplient énormément les surfaces libres, tout en renouvelant les couches, et l'effet complet est obtenu en quelques instants. Toutes les fois qu'il s’agit soit de dissoudre un gaz, soit au contraire de le libérer rapidement, il ne faut pas oublier cette grande importance des surfaces libres et du renouvellement des couches.

6. Atmosphères superficielles. — C’est ici, à propos du départ des gaz de leurs solutions sursaturées, que nous devons parler d’un cas spécial présenté fréquemment par les plantes

(1) M. Gernez, dans un tube de 40 centimètres de long et de 15 millimètres de diamètre, a pu constater (au moyen d’un simple fil de platine qui s’y recou-

vrait de bulles) que la même solution restait sursaturée de gaz carbonique pendant plus de six mois.

ÉCHANGES GAZEUX DES PLANTES AQUATIQUES. 97 aquatiques, et qui semble en contradiction avec l'hypothèse que nous admettons. Chacun sait que l’eau de Seltz, versée dans un verre, donne des bulles nombreuses qui montent sans cesse de la masse du liquide, même après que le bouillonnement imitial a cessé. Ces bulles ne se produisent pas, comme on pourrait le penser, au sein du liquide, elles naissent exclusivement sur les parois, et seulement dans des points où une mince couche d'air est restée fixée, formant ce qu’on appelle une atmosphère superficielle; ce sont ces atmosphères superficielles qui existent aussi sur les plantes aquatiques et dont nous avons déja parlé. M. Gernez, qui a étudié le premier ces intéressants phénomènes (1), a démontré que ces petites couches gazeuses adhérentes peuvent être enlevées à l’aide de lavages convenables, et qu’alors l’eau de Seltz la plus saturée ne donne plus une seule bulle de gaz sur les parois du vase ainsi lavé. C’est alors que, l'équilibre ne pouvant plus se faire que par la surface, la solution reste sursaturée pendant un temps très considérable. Iei done, les faits, loin de contredire l'hypothèse, la confirment.

3° Bulle sous l’eau.

Lorsqu'une bulle s’est formée dans de l’eau sursaturée d’air aux dépens d’une atmosphère superficielle, quelle est sa composition gazeuse? Est-ce la même que celle de l’air dissous, 33 pour 100 d'oxygène et 67 pour 100 d'azote? Ou bien celle de l'air libre, 21 pour 100 d'oxygène et 79 d'azote?

La théorie et l’observation démontrent que ce ne peut être et que ce n’est réellement que de l'air ayant la composition

? 19 Az manière suivante :

Pour qu'une bulle gazeuse soit en équilibre indéfini avec le

normale pour 100. C’est ce que nous exprimerons de la

… (1) Comptes rendus Ac. sc., 1866, IT, 883; 1867, I, 606. — Société de physique, 1873, 8 à 13. — Annales scientifiques de l'Ecole normale supérieure,

liquide qui la contient, il faut et il suffit que les forces élastiques des gaz soient égales dans la bulle et dans le liquide ambiant. Une bulle est, en effet, une portion limitée de l'atmosphère, incluse au sein de la solution.

Nous aurons à appliquer ce principe lorsque nous aurons à considérer la composition de l'atmosphère interne des lacunes, atmosphère qui ne diffère essentiellement d’une bulle que par l’existence de parois continues la séparant du milieu (voy. p.100).

À. Influence de la pression. —- Une bulle plongée sous l’eau aérée subit les variations de la pression extérieure par l’intermédiaire de l’eau. Si la pression extérieure augmente, son volume diminue, et la pression devient plus grande dans la bulle que dans l’eau ambiante; aussitôt son gaz libre se dissout dans cette eau, et la bulle diminue sans cesse jusqu’à extinction. Si, au contraire, c’est une diminution de Ja pression extérieure qui a lieu, la bulle grossit et se détache bientôt pour venir crever à la surface; de sorte que les bulles adhérentes aux parois du vase jouent toujours le rôle de réqulateurs de la saturation de l’eau.

2. Influence de la profondeur. — Si nous supposions qu’une bulle libre existât à 10 mètres de profondeur, dans de l’eau aérée, la pression y serait de 2 atmosphères (1). Mais l’eau ambiante en libre communication avec la surface, grâce à la porosité du liquide, contient un air qui n’a pas d’autre pression propre que celle de l’air extérieur, c’est-à-dire À atmosphère; il en résulte que la bulle, puisqu'elle contient de l'air à 2 atmosphères, doit se dissoudre continuellement dans l’eau ambiante jusqu’à extinction complète. Ceci a lieu en effet même pour de faibles profondeurs : j'ai vérifié expéri-

(1) Elle serait même certainement de plus de deux atmosphères, car la tension superficielle de l’eau la comprime toujours; cette compression est d'autant plus forte que la bulle devient plus petite, et il arrive un moment où, grâce à elle, celle-ci disparaît subitement, comme j’ai eu l’occasion de l’observer au microscope.

mentalement qu'une pression d’eau de 10 à 42 centimètres détermine une dissolution continue de l'air quand l’eau qui l'entoure est librement aérée. |

On peut même dire que, par suite de la compression directe du liquide, jamais une bulle ne pourrait rester en équilibre indéfini sous l’eau, comme nous l’avons exprimé plus haut, si ce n’est dans le cas où une bulle étant sur les parois d’une éprouvette pleine de liquide se trouve au-dessus de la surface libre de ce liquide.

Un cas bien instructif sur l'influence de la profondeur est celui des eaux de la mer. Nous avons indiqué plus haut l'énorme résistance des pores intermoléculaires aux pressions les plus considérables, en citant particulièrement le cas des grandes profondeurs des océans; l’eau {de ces profondeurs est aérée et contiendrait alors de l’air libre dans ses espaces intermoléculaires; mais ceux-ci étant à peu près incompressibles, cet air devrait être soustrait aux pressions énormes que l’eau subit; en même temps, la diffusion, aidée par ces grands courants qui brassent les eaux de la mer souvent à de grandes profondeurs, tendrait à établir l’égalité des pressions propres dans toute la masse. Si notre hypothèse est exacte, on doit donc trouver que les eaux profondes ne diffèrent pas beaucoup de celles de la surface au point de vue des tensions gazeuses.

J’ai voulu vérifier une conclusion si importante, non seulement comme preuve de la théorie, mais encore pour la biologie générale tout entière. En consultant les Comptes rendus des explorations sous-marines, j'ai trouvé des analyses détaillées des gaz des eaux profondes (1); ces analyses démontrent, en effet, que ces gaz sont à peu près dans la même proportion,

(1) Report on the scientific results of the Voyage of H.M.S. Challenger during the years 1873-76 (Physics and Chemistry), vol. 1, p. 139 à 197 et 222 :à 227, — On trouve dans ce rapport un grand nombre de tableaux d’analyses, montrant la composition des gaz retirés des eaux superficielles ou profondes, et la proportion absolue dans laquelle ils s’y trouvent, exprimée en centimètres cubes et par litre. — Il arrive en général que ces eaux contiennent, surtout dans les profondeurs, moins d'oxygène que ne l’indiquerait la température des couches; mais les écarts, dus à la respiration des êtres qui y vivent et à

absolue et relative, que dans les eaux de la surface, bien qu'on ait dit parfois le contraire; 4 litre d’eau, prise à 5000 mètres de profondeur, ne diffère pas notablement de 1 litre d’eau prise à la surface, au point de vue des gaz dissous. De telle sorte que, d’après notre définition, la force élastique de l’air contenu dans les eaux des grandes profondeurs est sensiblement la même que dans l’air libre; et que, dans notre hypothèse, l'atmosphère s’étend librement à plusieurs kilomètres de profondeur : malgré l'énorme pression totale que subissent alors les êtres qui y vivent, ces êtres ne respirent qu'un air en tout semblable, au point de vue des pressions propres, à celui que respirent les êtres de la surface.

3. Influence de la température. — En examinant le tableau des coefficients cités plus haut, on voit que la solubilité diminue très rapidement à mesure que s'élève la température. Si nous rapprochons de ce fait la difficulté avec laquelle se meuvent les gaz à l’intérieur de leurs solutions, nous en conclurons que la sursaturation doit se produire facilement pour une faible élévation de température. L’augmentation de la pression d’un gaz dissous est, en effet, très rapide, doublant de zéro à 30 degrés, tandis qu’il faudrait chauffer de 273 degrés le gaz libre pour obtenir le même effet. Pour un gaz dissous, une variation de température de 1 degré équivaut à 27 degrés pour un gaz libre, au pointide vue de la variation des pressions propres.

Ces données ont une grande importance pour les conditions naturelles de vie des plantes submergées (voy. p. 135 et aussi p. 151 l'effet de la congélation).

4. Composition de l'air libéré d'une eau par une diminution de pression. — Nous avons vu qu’une bulle existant dans une eau normalement aérée doit nécessairement avoir la même composition que l'air extérieur; c’est là ce qui se produit

ce que les couches superficielles par où arrive le gaz sont plus chaudes, sont en général assez faibles. En tout cas, jamais l’aération des couches ae n’est plus grande qu’à la surface.

ÉCHANGES GAZEUX DES PLANTES AQUATIQUES. 61 quand l’eau est soumise à une très faible diminution de pression. Mais, lorsque le vide est fait entièrement, la totalité des gaz sort, et alors le gaz libéré contient 33 pour 100 d'oxygène au lieu de 21 pour 100. Entre ces deux extrêmes de la diminution de pression, 1l se libère un gaz qui contient d’autant plus d'oxygène que le vide est plus près d’être atteint, J’ai vérifié par l’expérience (3 octobre) qu’il en était bien ainsi; il m'a suffi de faire passer un courant d’eau aérée sans cesse renouvelée en présence d’une atmosphère limitée de gaz carbonique pur ; l'air dissous s’y est d’abord libéré comme dans le vide, l’oxygène y étant dans la proportion de 33,2 pour 100 par rapport à la somme Az+0. Mais un quart d’heure après, cette proportion n’était plus que 32,1 pour 100; elle baissa ainsi successivement à 28,3—96,5— 93,8, tendant évidemment à prendre une composition analogue à celle de l’air libre, à mesure que la pression propre des gaz libérés devenait plus considérable. |

9. Cas de l'eau sursaturée. — La même chose a lieu toutes les fois que de l’eau en quantité indéfinie se trouve sursaturée en présence d’une atmosphère limitée. La sursaturation a pu se produire soit par une diminution directe de la pression extérieure, comme précédemment, soit par une augmentation de la température. Mais dans tous les cas la proportion d’oxygène libéré passe d’un maximum initial, correspondant au maximum de différence de forces élastiques, à un minimum final correspondant à une différence nulle, c’est-à-dire à l’égalité complète des pressions propres.

Résume.

D’après l'hypothèse exposée plus haut, le milieu des plantes submergées, considéré au point de vue purement physique, contient les gaz dans un état très paruculier; malgré la petite quantité d’air qui s’y trouve dissoute, et la différence de composition centésimale de cet air avec celui de l’atmosphère, la force élastique de cet air est, au sein de l’eau nor-

malement aérée, exactement la même que celle qui se trouve à l'extérieur; les lois de la diffusion des gaz au sein des liquides et nos propres expériences sont d’accord avec cette manière de voir; une très petite quantité d’air existe à l’état gazeux dans les pores intermoléculaires, tandis que le reste de l’air, c’esth-dire la presque totalité, est à l’état liquide dans le dissolvant.

L’air libre est seul actif dans la diffusion, mais les pores intermoléculaires sont tellement petits que Pair s’y meut avec une lenteur extrême; par contre, leur résistance est tellement grande que cet air est complètement soustrait aux variations de la pression externe; et cela d’autant mieux que toute diminution de volume des espaces intermoléculaires ne peut que précipiter l’air gazeux à l’état liquide, à la façon de ce qui se produit pour les vapeurs saturantes. Il en résulte ce fait curieux que l’atmosphère où nous respirons se continué, en gardant sa pression propre, dans toutes les eaux naturelles et jusqu’au fond même des océans; et que tous les êtres, animaux et plantes, vivant dans les eaux, reçoivent l'oxygène à la même pression relative que les êtres terrestres.

L'invariabilité très grande des pores intermoléculaires empêche la formation libre de bulles au sein des solutions lorsque celles-ci sont soumises à une diminution de pression ou à une augmentation de température : c’est là l’explication du phénomène de la sursaturation. Lorsque des bulles se dégagent, c’est toujours en gonflant de très petites atmosphères existant normalement sur les corps solides immergés et appelées atmosphères superficielles.

Toute bulle existant à l’intérieur d’une eau aérée ne subsiste que si la force élastique de chaque gaz est la même à l’intérieur qu'à l'extérieur; une bulle obéit aux variations de la pression externe, tandis que les gaz dissous y sont sousträits; de là des conflits divers lorsque la pression et la température varient, conflits qui déterminent toujours des échanges gazeux entre la bulle et le liquide qui l'entoure.

Quand l’eau est sursaturée, le gaz libéré est d'autant plus

ÉCHANGES GAZEUX DES PLANTES AQUATIQUES. 63 riche en oxygène que la différence de pression est plus considérable entre le gaz dissous et l’extérieur.

Remarque. — La théorie physique que nous avons admise, quoique parfaitement plausible, n’est pas absolument nécessaire, puisque lexpérience prouve directement les faits dont nous avons besoim; mais elle les relie d’une manière claire et nous avons trouvé commode de les exposer sous cette forme.

Nous connaissons maintenant la nature du milieu où sont plongées les plantes submergées et nous avons vu comment se comporte une bulle libre dans ce milieu; nous pouvons donc chercher comment se comporterait une bulle séparée du milieu par une cloison, un septum perméable, ce qui est le cas des plantes submergées; nous commencerons par chercher quelle est l'influence de ce septum sur les échanges, ce qui est l’objet du chapitre suivant.