Biologie 3e - Édition De Boeck - Extrait by VAN IN

BIOTAV3-cov.qxp_Mise en page 1 27/07/17 08:56 Page1

Ce manuel s’adresse aux élèves de 3e en Sciences de base et en Sciences générales. Il s’inscrit dans le cadre des nouveaux référentiels de sciences de la Fédération Wallonie-Bruxelles. Il aborde les thèmes suivants, répartis en 2 Unités d’Acquis d’Apprentissage. EN SCIENCES DE BASE :

EN SCIENCES GÉNÉRALES : conformes aux nouveaux référentiels de sciences de la FWB une iconographie remarquable des chapitres structurés de manière particulièrement claire et composés de doubles pages d’activités pratiques, de pistes d’exploitation, de synthèses de nombreux exercices pour que l'élève puisse tester ses connaissances et exercer ses compétences une mise en page dynamique

> nutrition et production d’énergie chez les hétérotrophes > importance des végétaux verts à l’intérieur des écosystèmes Par la densité de son propos, cet outil simple, à la fois riche et accessible, laisse à chaque enseignant le loisir de développer plus ou moins chaque thème selon l’intérêt des élèves. L’élève trouvera dans ce manuel le compagnon idéal pour suivre le cours de biologie, grâce notamment à des chapitres très clairement structurés.

Plaisir et désir d’apprendre la biologie : tel est l’un des objectifs de ce manuel ! Cet apprentissage permettra aux jeunes de décoder et de résoudre des situations auxquelles ils sont confrontés. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyens dans le monde technoscientifique qui est le nôtre et à y agir de façon responsable.

De Boeck

ISBN 978-2-8041-9415-4

572602

vanin.be

BIOLOGIE 3e

Des manuels clairs et attrayants

> nutrition et transferts d’énergie chez les êtres vivants > l’écosystème en équilibre ?

Sciences de base et Sciences générales

Michèle Cornet

Sous la direction de Raymond Tavernier et Claude Lizeaux

L’enseignement de la biologie en 3e au cours de sciences de base et de sciences générales (3 et 5 périodes par semaine)

Ce manuel est une adaptation de la collection « Tavernier / Lizeaux » (Sciences de la Vie et de la Terre, Bordas) aux nouveaux référentiels de l’enseignement secondaire de la Fédération Wallonie-Bruxelles pour les cours de sciences de 3e année à 3 périodes/semaine et à 5 périodes/semaine. Ce manuel est organisé en 8 chapitres, répartis dans deux unités d’acquis d’apprentissage (UAA) différentes selon que l’élève suit le cours à 3 ou 5 périodes. Sciences de base Sciences générales

UAA 1 UAA 2 UAA 1 UAA 2

Nutrition et transferts d’énergie chez les êtres vivants L’écosystème en équilibre ? Nutrition et production d’énergie chez les hétérotrophes Importance des végétaux verts à l’intérieur des écosystèmes

La correspondance entre les chapitres et les UAA, ainsi que les processus à mobiliser, sont détaillés dans les pages suivantes. Par ailleurs, dans chaque chapitre, certains éléments spécifiques au cours à 5 périodes sont signalés par le logo SG : celui-ci est accompagné de crochets rouges lorsqu’il ne concerne qu’une section réduite, et il se présente sans crochets rouges lorsqu’il indique une partie complète de la structure. Le chapitre 7 est entièrement réservé au cours de sciences générales. Conçu comme un outil de travail en classe avec le professeur, mais aussi en autonomie, le manuel est un auxiliaire pédagogique précieux. Pour en faciliter l’utilisation, chacun des huit chapitres est structuré de la même façon : - une page d’ouverture qui pose la problématique ; - deux doubles pages éventuelles permettant de retrouver les acquis des années antérieures de manière active ; - des doubles pages d’activités pratiques variées avec un guide précis pour les manipulations et avec des documents richement illustrés, dont l’analyse en classe permet de développer les différentes compétences chez l’élève, et avec des pistes d’exploitation qui invitent à approfondir le questionnement en fonction du niveau du cours (3 ou 5 périodes par semaine) ; - un texte de synthèse, clair et structuré, avec une terminologie scientifique réduite au strict nécessaire ; - un grand schéma-bilan, permettant la mémorisation des notions essentielles ; - des pages « Pour mieux comprendre » et « Pour réaliser » qui répondent à la curiosité des élèves et qui peuvent être intégrées dans la démarche pédagogique du professeur ; - des exercices variés pour tester les connaissances et les compétences. Les termes marqués d’un astérisque* renvoient à un lexique situé sur la même (double) page. En fin de manuel sont fournis des corrigés d’exercices : - une correction systématique des « Je connais », pour inviter l’élève à évaluer son degré d’acquisition et de structuration des connaissances ; - la correction de certains exercices « J’applique et je transfère » pour permettre à l’élève de mieux apprécier les critères de réussite d’un exercice et le préparer ainsi à l’évaluation de ses compétences. Un index final offre à l’élève la possibilité de retrouver rapidement les pages où sont abordés les principaux termes et les notions essentielles. À la fin du deuxième cycle et quel qu’ait été leur niveau dans ce cycle, les élèves devront choisir pour la 5e année entre un cours de sciences de base (3 périodes/semaine) ou un cours de sciences générales (6 périodes/semaine). L’enseignement proposé en 3e doit leur laisser la liberté de modifier leur choix de niveau de sciences pour le cycle supérieur, mais aussi leur offrir les bases d’une culture scientifique et leur permettre de continuer à s’intéresser aux sciences dans leur vie quotidienne. Les auteurs souhaitent que ce nouveau manuel puisse modestement y contribuer.

UAA, compétences et processus en sciences de base

UAA 1 Nutrition et transferts d’énergie chez les êtres vivants La nutrition : une nécessité pour tous les êtres vivants

Chapitre 2

La transformation des aliments en nutriments

Chapitre 3

Les besoins nutritionnels de l’organisme

Chapitre 4

Quelques règles simples de diététique

Chapitre 5

L’absorption des éléments inorganiques par les végétaux

Chapitre 1

Du carbone minéral aux composants du vivant

103

iti

Chapitre 6

UAA 2 L’écosystème en équilibre ? Chapitre 8

L’équilibre des écosystèmes

147

Corrigés des exercices

174

Index

179

À la fin de l’UAA 1, tu pourras : • expliquer les mécanismes de digestion des aliments et de transformation d’énergie chez les hétérotrophes ; • expliquer les bases qualitative et quantitative d’une alimentation équilibrée. Chapitres

Expliquer l’absorption des nutriments, à partir de documents.

Caractériser les trois rôles essentiels et complémentaires des nutriments.

Décrire la transformation chimique qui traduit la respiration cellulaire chez les hétérotrophes.

Définir les règles de base d’une alimentation équilibrée.

Citer et décrire les rôles des principaux facteurs intervenant dans la photosynthèse.

Décrire la transformation chimique qui traduit la photosynthèse chez les autotrophes.

Pour cela, tu devras exercer et maîtriser les savoir-faire suivants (Appliquer) Interpréter une expérience de digestion d’un aliment à l’aide d’un test d’identification.

Utiliser des tables pour calculer une ration alimentaire.

Décrire la transformation chimique qui traduit la respiration cellulaire chez les autotrophes et les hétérotrophes.

Identifier, sur base d’une expérience, les facteurs principaux qui favorisent la photosynthèse.

Mettre en évidence l’équivalence de la fonction de respiration chez les végétaux verts et chez les animaux. Pour cela, tu devras développer les compétences suivantes (Transférer)

3, 6 Chapitres 2 4 6 3, 6 Chapitres

Analyser et critiquer les menus d’une journée en se référant à des tables diététiques, aux règles des diététiciens et en tenant compte des activités réalisées au cours de la journée.

3, 4

À partir de documents, relier le déséquilibre entre apports et dépenses énergétiques à des problèmes de santé.

À la fin de l’UAA 2, tu pourras :

Expliquer le rôle indispensable des végétaux pour le développement et le maintien d’un écosystème.

5, 6, 8

• retrouver la multiplicité des facteurs et expliquer les relations qui interviennent dans un écosystème en état d’équilibre dynamique. Pour cela, tu devras acquérir et structurer les ressources suivantes (Connaître)

Chapitres 8

Distinguer les facteurs biotiques et les facteurs abiotiques.

Schématiser les transferts de matière et les flux d’énergie dans un réseau trophique simple.

Représenter le cycle bio-géo-chimique du carbone.

iti

Distinguer, à partir de l’observation d’un milieu de vie, les notions de biotope, de biocénose et d’écosystème.

Pour cela, tu devras exercer et maîtriser les savoir-faire suivants (Appliquer)

Chapitres

À partir de documents (photographies, vidéos…), retrouver et caractériser dans un écosystème donné : • des relations inter-spécifiques entre les êtres vivants ; • des relations intra-spécifiques entre les êtres vivants ; • des relations entre les êtres vivants et leur biotope.

Montrer à l’aide de différents réseaux trophiques le lien entre la diversité des espèces et la stabilité d’un écosystème.

Pour cela, tu devras développer les compétences suivantes (Transférer) Par le biais d’une approche expérimentale, analyser un écosystème simple et expliquer comment l’écosystème tend vers un état d’équilibre.

Chapitre 8

UAA, compétences et processus en sciences générales

UAA 1 Nutrition et production d’énergie chez les hétérotrophes La nutrition : une nécessité pour tous les êtres vivants

Chapitre 2

La transformation des aliments en nutriments

Chapitre 3

Les besoins nutritionnels de l’organisme

Chapitre 4

Quelques règles simples de diététique

Chapitre 1

UAA 2 Importance des végétaux verts à l’intérieur des écosystèmes L’absorption des éléments inorganiques par les végétaux

iti

Chapitre 5

Chapitre 6

Du carbone minéral aux composants du vivant

103

Chapitre 7

Les cellules, structures de base des végétaux

125

Chapitre 8

L’équilibre des écosystèmes

147

Corrigés des exercices

174

Index

179

À la fin de l’UAA 1, tu pourras : • expliquer les mécanismes de digestion des aliments, d’absorption des nutriments et de transformation d’énergie chez les hétérotrophes ; • expliquer les bases qualitative et quantitative d’une alimentation équilibrée. Chapitres

Pour cela, tu devras exercer et maîtriser les savoir-faire suivants (Appliquer) À partir d’expériences : • identifier les principales molécules organiques présentes dans quelques aliments à l’aide de tests d’identification ; • mettre en évidence l’action chimique de quelques sucs digestifs sur la décomposition des aliments, ainsi que quelques paramètres qui influencent cette action. À partir de documents : • analyser le menu d’une journée ; • choisir et calculer un régime équilibré en fonction de différents paramètres (par exemple : l’âge, les activités sédentaires, les activités sportives…).

Chapitres

Pour cela, tu devras développer les compétences suivantes (Transférer) Expliquer, à partir d’une démarche d’investigation, que la respiration n’est pas la seule réaction possible pour transformer de l’énergie. Réaliser une recherche documentaire sur les troubles du comportement alimentaire, afin de relier « déséquilibre entre apports et dépenses énergétiques » et « problèmes de santé ».

Chapitres

Pour cela, tu devras acquérir et structurer les ressources suivantes (Connaître) Expliquer, à partir de documents, l’action des enzymes et des sucs digestifs sur la digestion des glucides, des protéines et des lipides au cours de la digestion. Expliquer l’absorption des nutriments, à partir de documents. Caractériser les trois rôles essentiels et complémentaires des nutriments. Décrire la transformation chimique qui traduit la respiration cellulaire chez les hétérotrophes. Définir les règles de base d’une alimentation équilibrée.

2 3 3 4

1, 2

3, 4

3 4

À la fin de l’UAA 2, tu pourras :

• décrire et modéliser de manière simple la cellule végétale ;

• décrire et modéliser la nutrition et la transformation d’énergie chez les végétaux verts ; • expliquer les relations qui interviennent dans un écosystème en état d’équilibre dynamique. Chapitres

Pour cela, tu devras exercer et maîtriser les savoir-faire suivants (Appliquer) Rechercher des facteurs susceptibles de favoriser la photosynthèse à l’aide d’une démarche expérimentale. À l’aide d’observations au microscope optique : • identifier les principaux constituants et réaliser des croquis d’observation de différentes cellules végétales ; • déterminer l’ordre de grandeur de la dimension d’une cellule végétale. Comparer les quantités d’oxygène produites lors de la photosynthèse et consommées lors de la respiration d’un végétal vert. À partir de documents (photographies, vidéos…), retrouver et caractériser dans un écosystème donné : • des relations inter-spécifiques entre les êtres vivants ; • des relations intra-spécifiques entre les êtres vivants ; • des relations entre les êtres vivants et leur biotope. Montrer à l’aide de différents réseaux trophiques le lien entre la diversité des espèces et la stabilité d’un écosystème.

Chapitres 6

Chapitre

iti

Pour cela, tu devras acquérir et structurer les ressources suivantes (Connaître) Construire un modèle simple de la photosynthèse à partir de l’interprétation d’expériences avec des végétaux verts. Schématiser des cellules végétales, sur base de l’observation au microscope optique. À partir d’expériences, décrire les phénomènes de diffusion et d’osmose. Mettre en évidence l’équivalence de la fonction de respiration chez les végétaux verts et chez les animaux. Distinguer, à partir de l’observation d’un milieu de vie, les notions de biotope, de biocénose et d’écosystème. Schématiser les transferts de matière et les flux d’énergie et dans un réseau trophique simple. Représenter le cycle bio-géo-chimique du carbone.

5, 6 7 7 3, 6, 7 8 8 8

7 7 8 8

Les exigences nutritionnelles des plantes

Comment utiliser ce manuel ? a

Les exigences nutritionnelles des plantes

Les chapitres sont subdivisés en « Activités pratiques » permettant à l’élève d’acquérir et structurer les notions requises par les référentiels, de s’approprier un langage scientifique de Nous avons constaté que les plantes, comme tous les êtres vivants, contiennent d’importantes quantités de carbone. Si cet élément se retrouve dans leurs molécules organiques, c’est qu’il provient nécessairement de base et de développer ses compétences. leur milieu. Ces Activités se déploient sur deux • Comment mettre en évidence les échanges de carbone existant entre les êtres vivants et leur milieu ? • Sous quelle forme le carbone se retrouve-t-il dans les plantes ? pages en vis-à-vis afin d’en faciliter la c visiond globale. A Des échanges de carbone entre êtres vivants et milieu doubles pages débutentune parcarence* un 1 . Au départ Photographies de feuilles de plants de tomate, Lycopersicum esculentum : a – plants Ces sains ; b mise – plants présentant a b texte de en situation et par un en chlore ;bouchon c –A plants présentant une carence en cuivre ; d – plants présentant une carence en zinc. questionnement précis concernant la B eau de ou les notion(s) à aborder. chaux

Activités pratiques

L’origine du carbone végétal

Doc.2

Même volume d’eau de chaux dans chacun des deux tubes

limpide

2 . Après 10 inspirations ou expirations

inspiration

L’air expiré barbote dans l'eau de chaux

expiration

trajet de l’air

air expiré

L’air atmosphérique barbote dans l'eau de chaux

plan ati ransélève a tinspiré on(à gauche) ou expiré (à droite) 10 fois. Tchaque L’eau de chaux est une solution aqueuse contenant du Ca(OH) dissous. En présence de CO , il se forme un précipité blanc dede Observation CaCO insoluble. la croissance La photographie présente les résultats de l’expérience alors que

iti

Doc.3 Des études expérimentales pour déterminer les besoins nutritionnels des plantes.

Lexique

À la fin de chaque double page, des pistes d’exploitation référence aux différents • Carence :font manque ou apport insuffisant. Solution documents. Ces pistes permettent un • Nutriment : molécule alimentaire assiminutritive questionnement permanent de l’élève sur complète* lable et directement utilisable par l’organisme. les notions abordées afincomplète : de le guider et denutri• Solution nutritive liquide stimuler soncontenant apprentissage des tionnel toutesactif les substances disnotions et d’exercer ses compétences. soutes indispensables à la survie de l’organisme.

Pistes d’exploitation

Croissance normale

1 Doc. 1 :

Quels composés retrouve-t-on dans les différents engrais ? Solution nutritive dépourvue d'un élément Sous quel nom général les désigne-t-on habituellement ? suspecté essentiel Croissance Analysez les photographies présentées et les résultats de anormale

2 Doc. 2 et 3 :

l’expérience. Comment peut-on remédier à certaines maladies végétales ?

3 Doc. 3 : Expliquez le rôle de l’eau dans l’absorption des éléments

Doc.3 Des études expérimentales pour déterminer les minéraux. besoins nutritionnels des plantes.

Lexique

• Carence : manque ou apport insuffisant. • Nutriment : molécule alimentaire assimilable et directement utilisable par l’organisme. • Solution nutritive complète : liquide nutritionnel contenant toutes les substances dissoutes indispensables à la survie de l’organisme.

Pistes d’exploitation

La terminologie scientifique est réduite au strict nécessaire.

1 Doc.Néanmoins, 1 : Quels composés retrouve-t-on dans les engrais ? les mots biologiques nouveaux ou différents d’usage peu

usuelnom pourgénéral les élèves signalés dans les documents par un Sous quel les sont désigne-t-on habituellement ? astérisque* et renvoient à un lexique situé sur la même double 2 Doc. 2 et 3 : Analysez les photographies présentées et les résultats de page. Celui-ci en donne une définition simple mais suffisante. l’expérience. Comment peut-on remédier à certaines maladies végétales ?

L ’ a b s o r p t i o n d e s é l é m e n t s i n o r g a n i q u e s Chapitre L ’ a b s o r p t i o n d e s é l é m e n t s i n o r g a n i q u e s Chapitre 8 p a r l e s v é g é t a u x par les végétaux

eau de chaux troublée

Des documents pertinents et richement illustrés (photographies, schémas, c d protocoles d’expériences…) graphiques, Doc.1 Des échanges gazeux entre les êtres humains et leur milieu. permettent à l’élève d’accéder à Protocole expérimental Doc. Photographies de feuilles de plants de tomate, Lycopersicum esculentum : a – plants sains ; b – plants présentant une carence* diverses ressources et le guident dans Des grains de maïs sont semés dans deux pots remplis de sable. Ils sont correctement éclairés et arrosés régulièrement avec de l’eau contenant endeschlore ; c – plants présentant une carence en cuivre ; d – plants présentant uneson carence en zinc.Ils laissent une large parcours. sels minéraux. Après trois semaines de croissance normale des deux semis, le pot 1 est placé sous une cloche dans laquelle circule un Croissance part à un apprentissage actif avec le air dépourvu de dioxyde de carbone ; le pot 2 est laissé à l’air libre. normale soutien du professeur. Leur analyse en arrivée d’air Les maïs des pots 1 et 2 dépourvu de avaient exactement la même taille lorsque dioxyde de classe ou en autonomie sert de support leSolution pot 1 a été placé sous carbone Solution nutritive la cloche. nutritive dépourvue d'un élément à la réflexion puis à la mémorisation. sortie d’air complète* suspecté essentiel 1 Dans chaque chapitre, certains Résultats Croissance nsplantatio a r éléments plus spécifiques au cours à T n La photographie ci-contre présente l’aspect des deux pots quinze anormale jours après avoir placé le pot 1 sous la cloche. 5 périodes par semaine sont signalés Observation de Doc.2 Une première approche expérimentale des échanges gazeux entre une plante et son milieu. la croissance par le logo SG . 92 eau de chaux toujours limpide

3 Doc. 3 : Expliquez le rôle de l’eau dans l’absorption des éléments minéraux.

À la fin de chaque chapitre, un texte de synthèse clair et structuré reprend les principales notions vues précédemment. Il sert de support à la mémorisation et doit être mis en parallèle avec les notions vues lors des Activités pratiques.

Synthèse La nutrition : une nécessité pour tous les êtres vivants Les êtres humains, comme beaucoup d’êtres vivants dont tous les animaux, sont des hétérotrophes : ils doivent trouver dans leur alimentation les molécules organiques dont ils ont besoin pour vivre et se reproduire. Dans ce but, ils ingèrent des aliments variés contenant les molécules de base ou nutriments dont ils ont besoin.

• L’eau est souvent un constituant important des aliments (viande : 50 à 70 %, légumes verts : de 75 à 95 %...) ; elle n’est donc pas uniquement apportée à l’organisme par les boissons. • Les sels minéraux sont très inégalement répartis dans les aliments : on peut citer des aliments riches en calcium (produits laitiers, sardines en boîte...), en sodium (sel de cuisine, mais aussi pain, fromages...), en potassium... Certains sont présents en quantités très faibles : ce sont les oligoéléments comme le fer (lentilles), le magnésium (bananes), etc.

1 La composition chimique des êtres vivants Lorsque l’on fait brûler entièrement des matières végétales ou animales, on s’aperçoit qu’après libération de l’eau qu’elles contiennent, toutes se transforment en charbon dont l’élément principal est l’atome de carbone.

• Les molécules organiques correspondent à trois groupes :

La synthèse se termine par un

* les glucides (ou “sucres”, également appelés dans l’industrie alimentaire “hydrates de carbone”),

• Tous les êtres vivants doivent créer ou renouveler les molécules qui les constituent et se procurer l’énergie indispensable pour assurer leurs fonctions vitales.

mots clefs les notions principales du chapitre.

* les lipides (huiles et graisses). Pour se construire et assurer leurs activités vitales, tous • Tous les êtres vivants doivent créer ou renouveler les molécules qui les constituent et les se procurer À ces trois grands groupes s’ajoutent vitamines, les organismes doivent assurer le renouvellement des l’énergie indispensable pour assurer leurs fonctions vitales. substances de nature variable, indispensables en faibles molécules qui les constituent, mais aussi se procurer quantités (voir aussi au chapitre 3 les pages « Pour mieux l’énergie qui leur est indispensable. • Les organismes autotrophes se procurent dans leur environnement l’énergie lumineuse et les molécules comprendre »). minérales dont ils ont besoin pour créer leurs propres molécules organiques. Les hétérotrophes trouvent dans les aliments qu’ils ingèrent aussi bien l’énergie que les dont plus ils ont Les molécules aliments organiques composés sont ou besoin. moins riches en chacune de ces catégories de molécules : • organismes Les alimentsautotrophes que nous ingérons • Les sont, poursont leur composés alimenta- de divers types de molécules qui peuvent se classer en – les aliments ainsi richesque en glucides sont lesorganiques aliments sucrés groupes : les molécules minérales : eau et sels minéraux, les molécules : tion,différents totalement indépendants des autres êtres vivants. d’une part (desserts, mais aussi sodas, sauces...), les aliglucides, protides, lipides et vitamines. Ils se procurent des molécules minérales dans leur enviments riches en amidon d’autre part (pomme de terre, ronnement et utilisent directement l’énergie lumineuse céréales, banane...) ; pour produire leur propre matière organique. – les aliments riches en protides sont nombreux • Les organismes hétérotrophes se procurent l’énergie (viandes et poissons, lait et produits dérivés, œufs, lennécessaire à leur fonctionnement en dégradant des alitilles...) ; ments constitués de molécules organiques qu’ils doivent Les êtres vivants doivent se procurer de L’énergie et renouveLer Leurs donc trouver dans leur milieu : végétaux et autres nour– les aliments riches en lipides correspondent aux huiles moLécuLes organiques ritures d’origines animales. de table, au beurre, à la crème et aux fromages, mais aussi à la viande, à la charcuterie, aux œufs, aux fruits • autotrophes secs...• ;Hétérotrophes

• Les organismes autotrophes se procurent dans leur environnement l’énergie lumineuse et les molécules minérales dont ils ont besoin pour créer leurs propres molécules organiques. Les hétérotrophes trouvent dans les aliments qu’ils ingèrent aussi bien l’énergie que les molécules organiques dont ils ont besoin. • Les aliments que nous ingérons sont composés de divers types de molécules qui peuvent se classer en différents groupes : les molécules minérales : eau et sels minéraux, ainsi que les molécules organiques : glucides, protides, lipides et vitamines.

Schéma-bilan

2 Des sources d’énergie et de matières différentes

Schéma-bilan

La nutrition : une nécessité pour tous les êtres vivants

et organiques en proportions diverses ces molécules organiques étant, suivant leur nature, Source d’énergie sert deplussupport visuel mémorisation des Nos aliments proviennent ou moins directement de à la solubles dans l’eau ou dans les lipides. lumière la matière végétale ou animale. Ce sont le plus souvent notions principales du chapitre. du Soleil composés, à la composition chimique des aliments

photosynthèse, autotrophe, hétérotrophe, chlorophylle brute, pigment photosynthétique, sève élaborée.

Source des molécules

D. Exprimez des idées importantes…

• •

C. Questions à réponse courte

 végétaux

a. Écrivez le bilan chimique des transformations de matière lors de la photosynthèse.

(glucides, protides,

a. ...une plante à la lumière et une même plante lipides, à l’obsvitamines) curité quant à la photosynthèse ? b. ...les parties autotrophes et hétérotrophes d’une plante ? c. ...la chlorophylle a et la chlorophylle brute ? animaux, champignons, d. ...les besoins alimentaires d’une algue chlorophyllienne et de sa variété mutante dépourvue de chlorophylle ?

Les aliments

Source des molécules

• Eau • Molécules minérales (sels minéraux, dioxyde de carbone)

 végétaux

• Eau • Sels minéraux • Molécules organiques

(glucides, protides, lipides, vitamines)

 animaux, champignons, homme



des référentiels : Connaître, Appliquer et Transférer.

homme

J’applique et je transfère 1

La lumière solaire

• Tous les chapitres se terminent par des exercices variés minéraux • • Molécules organiquesregroupés selon les trois axes des développements attendus

(sels minéraux, E. Quelle(s)de différence(s) y a-t-il entre… dioxyde carbone)

Parmi les affirmations suivantes, recopiez celles qui sont exactes et corrigez celles qui sont erronées. a. Lors de la photosynthèse, du dioxyde de carbone est rejeté dans l’atmosphère. b. L’hydrogène que l’on retrouve dans les molécules organiques provient de l’eau absorbée par la plante. c. Les parties non chlorophylliennes d’une plante consomment la matière organique produite par les parties autotrophes de celle-ci. d. Les parties chlorophylliennes d’une plante sont vertes parce que la chlorophylle absorbe les radiations vertes de la lumière. e. Toutes les molécules organiques synthétisées dans les feuilles se retrouvent dans la sève élaborée.

...en rédigeant une ou deux phrases utilisant chaque groupe de mot ou expression : a. lumière, matière organique, photosynthèse, source d’énergie. b. échanges gazeux, photosynthèse, rejet, absorption, dioxygène, dioxyde de carbone. c. pigment photosynthétique, chlorophylle, conversion, Eauchimique. Eau énergie d. conversion, molécules minérales, glucose, photosynMolécules minérales Sels thèse.

iti

B. Vrai ou faux ?

• Hétérotrophes

Source d’énergie

b. Quelle est l’origine du dioxygène libéré par les plantes ? c. Quel est le rôle de la chlorophylle ? d. Quel est le rôle de la sève élaborée ?

La nutrition : une nécessité pour tous les êtres vivants Chapitre

A. Définissez les mots ou expressions :

Les aliments

Je connais

Exercices

La lumière solaire

• autotrophes

lumière du Soleil

des substances minérales 3 Les aliments :Un grand Schéma-bilan complète – les aliments sontla plussynthèse ou moins riches et en vitamines, complexe. Leurs différents constituants, en nombre et en proportions variables appartiennent aux différentes catégories de substances formant la matière vivante : eau, sels minéraux, substances organiques.

La nutrition : une nécessité pour tous les êtres vivants

Les êtres vivants doivent se procurer de L’énergie et renouveLer Leurs moLécuLes organiques

L’essentiel

L’essentiel « Essentiel » qui reprend en quelques

* les protides (ou groupe des protéines),

La nutrition : une nécessité pour tous les êtres vivants Chapitre

Par ailleurs, tous les êtres vivants sont constitués des mêmes molécules : de l’eau, des sels minéraux, mais aussi des constituants organiques : glucides, protides et lipides (ainsi que l’ADN, support de l’information génétique).

Pour réaliser… A

Une étude expérimentale de la photosynthèse réalisable en classe

Dispositif expérimental Le dispositif comporte une cuve (bioréacteur) de volume connu dans lequel on place les fragments du végétal utilisé. Divers capteurs reliés à un ordinateur permettent d’enregistrer simultanément, et en continu : Le lait et les produits laitiers - les concentrations en dioxyde de carbone et en dioxygène du milieu ;

Les couleurs de l’automne

En automne, les arbres perdent leur couleur verte et l’on assiste, avant que les feuilles ne tombent, à l’apparition d’une magnifique palette de couleurs : jaune, orange, rouge...

Pour mieux comprendre…

Les aliments sont classés en six groupes...

P our r etr ouver les a cq uis

Le viandes, les poissons et les œufs

- la température. Par ailleurs, un système de deux « volets » coulissants permettent de placer la cuve complètement à l’obscurité.

protocole expérimental 1. Mettre de l’élodée du Canada (ou du Cabomba, ou de la mousse de Java…) dans de l’eau enrichie en dioxyde de carbone (ajouter quelques gouttes d’une solution d’hydrogénocarbonate de sodium NaHCO3 à 5 %, par exemple) afin de stimuler la photosynthèse. Éclairer vivement l’ensemble de la plante au moins une heure avant la manipulation. • Meilleure source de calcium. 2. Prélever les feuilles les plus• proches des bourgeons où la phoAliments riches en terminaux protéines,(celles vitamines du tosynthèse est la plus active) puis les B découper en fragments à l’aide d’une paire de groupe et vitamine A. ciseaux. Introduire les fragments obtenus dans la cuve. • Permettent la croissance des os et évitent leur 3. Éclairer le bioréacteur à l’aide d’un projecteur qui pourra être muni de filtres ne décalcification (ostéoporose) laissant passer qu’une seule couleur. de cetteduexpérience, desproduits filtres rouges puis • Les Lors protéines lait et des laitiers verts seront utilisés après une peuvent période en lumière blanche et une période remplacer celles des viandes, desd’obscurité. poissons ou des œufs : ½ litre de lait = 100 grammes de viande ou de poisson = 2 œufs. résultats

• Expliquez à l’aide de vos connaissances sur les pigments contenus dans les feuilles, l’apparition spectaculaire des couleurs automnales.

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Certains chapitres débutent par une double page « Pour retrouver les acquis » permettant à l’élève de réactiver des notions vues dans les années antérieures. D’autres chapitres présentent des pages « Pour mieux comprendre » qui répondent à la curiosité des élèves ou des pages « Pour réaliser » qui peuvent être intégrées à la démarche expérimentale du professeur.

• Aliments riches en protéines d’excellente qualité, en fer, en vitamines du groupe B et vitamine A (foie, œufs), en iode (produits de la mer). • Apportent les acides aminés indispensables à la constitution des cellules et à leur maintien en bon état de fonctionnement, mais contiennent souvent des graisses cachées (charcuterie, porc, agneau...) • 100 gramme de viande = 100 grammes de poisson = 2 tranches de jambon = 2 œufs.

Voir document ci-contre. - La photosynthèse s’effectue en lumière blanche et rouge (augmentation de l’O2 dans la cuve et diminution du CO2).

Les matières grasses

Les boissons

- La photosynthèse ne s’effectue ni à l’obscurité, ni en lumière verte.

120

• L’eau est la seule boisson indispensable ; elle est essentielle à la vie (elle représente 60 % de la masse corporelle) et apporte des quantités non négligeables de sels minéraux (calcium, magnésium...). • Apportent une grande quantité d’énergie sous un faible volume, des vitamines EUne et A mais aussi des • Les boissons sucrées (sodas, colas, limonades..) chaîne alimentaire acides gras essentiels (que l’organisme ne peut pas contiennent une très grande quantité de sucre à trois maillons : synthétiser (fabriquer)) indispensables renouvelfeuille →au chenille → mésange(1 cannette de cola = 7 morceaux de sucre) ce qui lement cellulaire. peut avoir des conséquences fâcheuses sur la santé.

Doc.1 Une expérience réalisée à l’aide d’un dispositif assistéanimale par ordinateur. • Lipides d’origine ou végétale.

20 Doc.1 En utilisant les informations fournies par les dessins, écrivez deux chaînes alimentaires à 3 maillons et deux chaînes à deux maillons.

148

Que trouve-t-on au début de chacune de ces chaînes ? Qu’appelle-t-on un réseau trophique ?

Chapitre 1 La nutrition : une nécessité pour tous

Chapitre 5 L’absorption des éléments inorganiques

Pour retrouver les acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Activités pratiques

Activités pratiques

les êtres vivants

1. Les besoins nutritifs des animaux et des végétaux . 12 2. La composition des aliments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. L’analyse chimique d’un aliment : le lait . . . . . . . . . 16

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Pour mieux comprendre…

1. L’eau, indispensable à la vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2. D’autres éléments nutritifs puisés par les racines . . 90 3. L’origine du carbone végétal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Pour mieux comprendre…

• …la structure des racines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

• …les grands groupes d’aliments . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Exercices

• …le choix des aliments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Chapitre 6 Du carbone minéral aux composants

Exercices

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Chapitre 2

Activités pratiques

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

du vivant

Activités pratiques

1. La photosynthèse chez les végétaux . . . . . . . . . . . . . 104 2. Un premier bilan des événements chimiques liés à la photosynthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3. Les pigments chlorophylliens n’absorbent que certaines parties du spectre lumineux . . . . . . . 108 4. Le devenir des produits de la photosynthèse . . . . . . 110 5. La mise en évidence des réserves dans les graines, les fruits, les organes souterrains . . . . . . . . . . . . . . . 112

Pour réaliser…

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Pour mieux comprendre…

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

• …l’évolution du modèle de la nutrition végétale . . 118

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Chapitre 3 Les besoins nutritionnels de l’organisme

Pour retrouver les acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Activités pratiques

iti

1. L’alimentation répond aux besoins de l’organisme . 48 2. Assurer les besoins énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3. La respiration cellulaire, une transformation essentielle de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. La fermentation, une autre transformation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5. Assurer le renouvellement des molécules . . . . . . . . 56 6. Bien s’hydrater, une obligation quotidienne . . . . . . 58

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Pour mieux comprendre…

• …les sels minéraux et les vitamines . . . . . . . . . . . . . 64

Exercices

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Chapitre 4 Quelques règles simples de diététique

Synthèse Exercices

Pour réaliser…

• …une approche expérimentale de la photosynthèse . 120

Exercices

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Chapitre 7 Les cellules, structures de base des végétaux

Activités pratiques

1. Observation de cellules végétales . . . . . . . . . . . . . . . 126 2. La paroi cellulosique : une particularité de la cellule végétale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 3. La cellule est compartimentée . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4. La diffusion et l’osmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5. Les cellules végétales respirent, elles aussi . . . . . . . 134 6. Les stomates, orifices d’entrée du CO2 et de sortie de l’O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Pour en savoir plus…

• …de la cellulose à la fabrication du papier . . . . . . . 142

Exercices

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Chapitre 8 L’équilibre des écosystèmes

Activités pratiques

1. Une ration alimentaire équilibrée . . . . . . . . . . . . . . . 2. Les critères d’une alimentation équilibrée . . . . . . . 3. Éviter les carences alimentaires . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Les excès alimentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Un exemple de digestion in vitro . . . . . . . . . . . . . . . 26 2. La simplification des aliments en nutriments . . . . . 28 3. Une digestion sélective des aliments . . . . . . . . . . . . 30 4. La digestion mécanique aide la digestion chimique . . 32 5. Les nutriments quittent le tube digestif . . . . . . . . . 34 6. L’intestin grêle : une structure adaptée à l’absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Synthèse Exercices

par les végétaux

72 74 76 78

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Pour retrouver les acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Activités pratiques 1. Des relations étroites entre le biotope et la biocénose . 2. Les écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Les relations intraspécifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Des relations interspécifiques plus ou moins néfastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Des relations interspécifiques plus ou moins favorables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Les transferts de matière et d’énergie dans les écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Le cycle du carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Synthèse Exercices

150 152 154 156 158 160 162

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

3 chapitre

IN N VA s

iti

Les besoins nutritionnels de l’organisme

Les organes de notre corps sont toujours en activité : ils fonctionnent de jour comme de nuit et leurs besoins doivent donc être satisfaits en permanence. Quels sont les besoins de notre organisme et comment l’alimentation répond-elle à nos attentes énergétiques, fonctionnelles et structurales ?

P o u r r e t r o u v e r le s a cqu i s

Les entrées et les sorties de l’organisme

Entrées

Sorties

• dioxygène

• dioxyde

• aliments

de carbone

• eau

• déchets

de l’urine

• eau

iti

Doc.1 Quelles sont les différences entre les entrées et les sorties de l’organisme ?

sang artériel (100 mL) • dioxygène : 20 mL • dioxyde de carbone : 50 mL • glucose

: 90 mg

entrée

sang veineux (100 mL) sortie une cellule musculaire au repos

• dioxygène : 15 mL • dioxyde de carbone : 54 mL • glucose

sang artériel (100 mL)

sang veineux (100 mL)

• dioxygène : 22 mL

• dioxygène : 4 mL

• dioxyde de carbone : 42 mL

• dioxyde de carbone : 62 mL

• glucose

: 90 mg

une cellule musculaire en activité

• glucose

Doc.2 Quelles sont les différences entre les entrées et les sorties d’un muscle au repos et celles d’un muscle en activité ?

: 87 mg

: 80 mg

L’échelle du vivant et les grands systèmes



Système nerveux

Cerveau

Cellule nerveuse

Molécule

Atomes

Organisme



Doc.3 Quels sont les différents niveaux constituant le vivant ? L’échelle des tailles est-elle respectée ? aliments

milieu intérieur

sang + lymphe sang

lymphe interstitielle une cellule

cœur

appareil circulatoire

appareil excréteur

nutriments dioxygène

aliments non digérés (excréments)

urine (déchets azotés)

dioxyde de carbone déchets azotés

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

appareil respiratoire

iti

appareil digestif

air

Doc.4 Comment les grands systèmes (digestif, respiratoire et excréteur) assurent-ils, via les systèmes circulatoire et lymphatique, les

apports nécessaires à toutes les cellules de l’organisme et l’élimination des déchets ?

Activités pratiques

L’alimentation répond aux besoins de l’organisme

Les rôles joués par les grandes catégories de molécules Rôle énergétique

Énergie l ments dibérée par les n ans l’or • 1 g d ganism utrie* : e glucid e libère • 1 g d 17 kJ e lipide libère 38 • 1 g d kJ e protid e libère 17 kJ 1 kCalo rie = 4,1 8 kJoule s

(production et mise en réserve d'énergie)

Les nutriments, et donc les aliments, doivent apporter à l’organisme l’énergie et les molécules de base permettant sa construction et son entretien. Ils doivent également permettre de renouveler les molécules qui travaillent à la réalisation des diverses fonctions de notre corps. • Quelles sont les molécules dont le renouvellement doit être assuré par les nutriments ? • Quels sont les rôles joués dans notre organisme par ces différentes molécules ? • Quels aliments répondent à ses besoins ?

* valeurs approchées pour simplifier les calculs

iti

- Glucides - Lipides (Protides)

Rôle fonctionnel (réalisation des

fonctions corporelles)

- Protides (ex : enzymes, hormones, anticorps...) - Lipides (ex : hormones sexuelles...) - Sels minéraux (ex : fer dans l’hémoglobine...) - Vitamines - Eau

nutriments

Rôle structural

(construction et entretien

des structures corporelles)

- Protides (ex : les fibres musculaires...) - Lipides (ex : membranes des cellules...) - Sels minéraux (ex : calcium des os...) Chez l’homme, les glucides ne jouent presque aucun rôle structural. Par contre, chez les végétaux, la cellulose est un glucide à rôle structural (voir UAA2), et chez les Arthropodes (insectes, araignées, crustacés...), le squelette externe est composé d’un autre glucide structural, la chitine.

Doc.1 Les nutriments issus de notre alimentation permettent de renouveler des molécules aux rôles indispensables.

Manger de tout... ALIMENTS BÂTISSEURS

lait, fromages (aliments riches en calcium et en protides )

viande, œufs, poissons (aliments riches en protides d’origine animale)

eau

légumes et fruits, cuits ou crus (aliments riches en vitamines, fibres…)

beurre, huile, noix, charcuterie (aliments riches en matières grasses)

eau, boissons

3 ALIMENTS ÉNERGÉTIQUES

Doc.2 Pour répondre aux besoins de l’organisme, il faut puiser chaque jour dans tous les groupes d’aliments. Dans chacun des groupes,

les aliments sont interchangeables.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : Pourquoi les protides ne jouent-ils presque aucun rôle énergétique ? Pensez aux circonstances dans lesquelles on

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

ALIMENTS FONCTIONNELS

iti

pain, pâtes, pommes de terre, riz, sucre, confiture (aliments riches en sucres lents [amidon] et rapides [glucose].)

observe une fonte musculaire importante.

2 Doc. 2 : Quels critères ont été utilisés pour classer les aliments ? 3 Doc. 2 : Pourquoi est-il indispensable de manger chaque jour des aliments de tous les groupes ?

Activités pratiques Assurer les besoins énergétiques

Pour courir, réfléchir, mais aussi simplement dormir, nous avons en permanence besoin d’énergie. Ne pouvant la fabriquer nous-mêmes, nous utilisons celle qui est contenue dans les nutriments que nous absorbons. Il est cependant indispensable de bien connaître nos besoins afin de n’ingérer ni trop, ni trop peu d’énergie. • Les besoins énergétiques sont-ils les mêmes pour tous les individus ? • Pour une même personne, les besoins énergétiques varient-ils au cours du temps ?

travail digestif

lutte contre le froid ou le chaud

650

travail musculaire

2 500

1 050

bolisme usine Le méta t une « de s e e m organis milliers ule d’un elle plusieurs Celles-ci ll e c e u Chaq ent. s laqu produis e » dan olisme chimiqu chimiques se pelle le métab ont ap ns es s réactio ue l’on himiqu c q e s c n t n io alors e ct constitu Certaines réa ion et on parle . t e ns de c cellulair ns de constru nt des réactio e. o io s ct sm des réa sme ; d’autres rs de cataboli i lo l a o b le a r n a d’a on p tion, et destruc

Les besoins vitaux en énergie

6 700 métabolisme de base

les valeurs sont exprimées en kJ/h

iti

Le métabolisme de base représente la dépense énergétique minimale. Celle-ci correspond au « service minimal » : travail du cœur et des muscles respiratoires, activité permanente du cerveau et des reins, réactions de synthèse dans les cellules, vaporisation de l’eau... Son évaluation s’effectue dans des conditions précises, chez un sujet allongé, immobile, moyennement vêtu, dans un environnement à 19 °C et à jeun depuis 15 heures environ. Pour un adulte moyen, le métabolisme de base est alors de 6 700 kJ environ. Il varie avec l’âge et le sexe.

Doc.1 Une dépense énergétique « incompressible » : le métabolisme de base.

nutriments

une cellule

dégradation des nutriments

énergie

énergie dissipée sous forme de chaleur

renouvellement des molécules de structure énergie utilisée pour l’activité mise cellulaire en réserve

fabrication des molécules fonctionnelles

Doc.2 L’énergie des nutriments est la seule source d’énergie de l’organisme humain.

Pour u ne cell ule constru ction d , la e velles noum partir d o l é c u l e s à e nutri m coûte c her en é ents nergie.

sécrétion (exportation hors de la cellule) de certaines des molécules produites

Le métabolisme des activités physiques Masse (en kg) Enfants 0-1 an 1-4 ans 4-7 ans 7-10 ans

Dépense énergétique (en kJ par 24 h)

7,3 13,5 20 28

3 380 5 650 7 650 9 150

13-16 ans 16-20 ans

38 50 54

9 800 10 400 9 650

Garçons 10-13 ans 13-16 ans 16-20 ans

37 51 63

10 850 12 100 12 850

les valeurs numériques sont exprimées en kJ/h

FEMMES

2 200

N 250

1 550

3 050

2 600

1 900

1 700

Filles

300

2 300 1 800

HOMMES

D’après Sciences et Avenir, nº 523.

iti

Doc.3 Les besoins énergétiques dépendent de nombreux facteurs.

Apport énergétique quotidien conseillé

Apport Apport quotidien en quotidien en protéines calcium

Femme adulte

8 400 kJ

60g

800 mg

Femme enceinte

Supplément de 400 kJ pendant le 1re trimestre, de 1 000 kJ pendant les 2e et 3e trimestres

70-80 g

1 000 mg

Femme allaitante

Supplément de 2 100 kJ

80 g

1 200 mg

Doc.4 La grossesse et l’allaitement entraînent des besoins particuliers.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : À l’aide de vos connaissances et de ce que vous avez appris dans les chapitres antérieurs, donnez des exemples de

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

10-13 ans

réactions d’anabolisme et de catabolisme.

2 Doc. 1 : Que représente le métabolisme de base ? Évaluez sont importance par rapport aux dépenses totales. 3 Doc. 3 : Précisez quels facteurs entraînent des variations de la dépense énergétique (certains ne sont pas représentés). 4 Doc. 4 : Analysez et expliquez les besoins alimentaires particuliers d’une femme enceinte et d’une femme qui allaite.

Activités pratiques

La respiration cellulaire, une transformation essentielle de l’énergie

Des échanges gazeux liés à la respiration cellulaire

Les besoins énergétiques de notre organisme sont assurés par l’alimentation. Il faut donc que des mécanismes particuliers soient mis en place afin de libérer l’énergie contenue dans les nutriments et de la rendre disponible pour notre organisme. • Quels sont les mécanismes permettant la libération de l’énergie stockée dans les nutriments ? • Les organismes autotrophes comme les végétaux réalisent-ils aussi une respiration cellulaire ?

Doc.1 Un parallélisme entre des voitures qui roulent et des êtres humains en plein effort.

iti

Les levures sont des champignons unicellulaires faciles à cultiver en suspension* dans une solution nutritive*. Ce sont des cellules hétérotrophes qui, comme les cellules animales, consomment nécessairement des molécules organiques puisées dans leur milieu. Elles constituent un matériel aisé pour étudier le métabolisme des cellules hétérotrophes.

Protocole expérimental

Des levures sont placées dans une petite cuve de volume connu fermée hermétiquement et baignent dans solution au départ pauvre en glucose et bien oxygénée. La microcuve est équipée de deux sondes permettant d’enregistrer les quantités de CO2 et d’O2 présents dans le milieu. Ce dispositif est relié à un ordinateur.

a - O2 b - CO2 t - injection de glucose a

Résultats Ils sont présentés sur la photographie d’écran ci-contre. À l’instant t repéré sur l’enregistrement, on injecte 0,1 mL d’une solution de glucose à 5 %.

Doc.2 Les échanges gazeux liés à la consommation du glucose.

b t

Toutes les cellules respirent une cellule Dioxyde de carbone CO2 Respiration cellulaire

Eau H2O

Glucose C6H12O6

Dioxygène O2

Énergie

Bilan des transformations chimiques : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + énergie

Doc.3 L’oxydation du glucose lors de la respiration cellulaire permet la libération de son énergie. • Lorsqu’une plante verte est recouverte d’un film plastique étanche, elle meurt rapidement.

Doc.4 Des constatations et des expériences effectuées sur les végétaux.

Lexique • Suspension : dispersion de particules ou de cellules dans un liquide ou un gaz. • Solution nutritive : liquide nutritionnel contenant toutes les substances dissoutes indispensables à la survie d’un organisme.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : Comparez les carburants et les échanges gazeux qui se réalisent dans un moteur de voiture d’une part et dans l’organisme humain à l’effort d’autre part.

2 Doc. 2 : Analysez les échanges gazeux enregistrés avant et après injection de glucose. Que pouvez-vous en conclure ?

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

iti

• Une suspension d’algues vertes unicellulaires (Dunaliella) est disposée dans une microcuve similaire à celle du document 2 et on enregistre les quantités de CO2 et d’O2 du milieu durant quelques minutes. Les résultats sont présentés ci-contre.

• En hiver, les arbres n’ont plus de feuilles, mais des échanges gazeux s’effectuent encore avec l’atmosphère au travers de leur écorce. Si on entoure l’écorce d’un arbuste avec un film plastique étanche, lui aussi finit par mourir.

3 Doc. 3 : Comparez la respiration cellulaire et la respiration générale d’un organisme. Tirez-en des conclusions.

4 Doc. 4 : Quelles informations sur les végétaux ces expériences apportent-elles ? Quelle serait, d’après vous, l’équation de la respiration cellulaire chez les végétaux ?

Activités pratiques SG

La fermentation, une autre transformation de l’énergie

Lorsque l’oxygène vient à manquer, certaines cellules (levures, bactéries, cellules musculaires) sont néanmoins capables de dégrader les molécules organiques afin de se procurer l’énergie indispensable : elles réalisent alors la fermentation. • En quoi consiste la fermentation ? • Quelles différences présente ce mécanisme avec la respiration cellulaire ?

Dans les alambics des brasseries de bières (photographie cicontre) ou des distilleries, des levures réalisent la fermentation alcoolique : elles transforment le glucose contenu dans l’orge, dans d’autres céréales ou encore dans les fruits (pour de nombreux alcools) afin de se procurer l’énergie nécessaire à leur survie. En faisant cela, elles produisent également un « déchet » de fermentation : l’éthanol (ou alcool à boire).

Doc.1 La formation des alcools par fermentation alcoolique.

iti

Le lactose, le sucre contenu dans le lait, est mal digéré par près de 65 % des adultes car l’enzyme qui le dégrade normalement dans le tube digestif est de moins en moins active avec l’âge. Dans le yaourt, des bactéries (Streptococcus thermophilus et Lactobacillus bulgaricus) utilisent le lactose comme source d’énergie et le dégradent par fermentation en acide lactique aisément digérable. Les yaourts sont dès lors une source de calcium digeste pour les adultes.

Doc.2 Le yaourt résulte de la fermentation du lactose par certaines bactéries.

Les cellules musculaires réalisent de préférence la dégradation du glucose par respiration cellulaire. Mais lorsque l’effort est trop intense et que l’oxygène vient à manquer dans le muscle, ces cellules continuent à dégrader le glucose par fermentation lactique. Il s’ensuit la formation d’acide lactique qui s’accumule et entraîne une contraction du muscle violente, involontaire, passagère mais terriblement douloureuse : la crampe.

Doc.3 La crampe, la hantise du sportif.

Des exemples de fermentation

La fermentation alcoolique

On peut suivre le processus de fermentation alcoolique grâce à un protocole expérimental simple (montage ci-contre) : des levures sont placées dans un milieu riche en glucose mais dépourvu d’oxygène. Les levures réalisent une fermentation alcoolique qui peut être suivie grâce à la disparition progressive du glucose (à l’aide, par exemple, de bandelettes utilisées pour mesurer la glycémie). Ce processus libère du dioxyde de carbone et fait apparaître de l’éthanol dans l’erlenmeyer. La réaction chimique globale de la fermentation alcoolique est la suivante : 1 glucose → 2 éthanol + 2 dioxyde de carbone + énergie dioxyde de carbone

eau

solution de glucose à 5 g.L–1 + levure

Doc.4 Un montage expérimental très simple permettant de suivre la fermentation alcoolique.

tion ira ire ula ell

Produits : 6 CO2 + 6 H2O Énergie potentielle des produits : nulle

Resp

Énergie potentielle* des glucides

3 Produits : 2 CO2 + 2 éthanol Énergie potentielle des produits :

Ferm ent ati alc on ool iqu e

*Énergie potentielle : dans le cas présent, énergie stockée dans un composé chimique et pouvant être libérée, notamment par combustion.

Doc.5 Une grande différence d’efficacité entre la respiration cellulaire et la fermentation.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 à 3 : Relevez dans les documents les types de cellules réalisant la fermentation. Toutes ces fermentations sont-elles identiques et les types cellulaires que vous avez relevés réalisent-ils tous les types de fermentation ?

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

iti

2 Doc. 4 : Analysez cette expérience et montrez que les résultats obtenus permettent de vérifier l’équation globale de la fermentation alcoolique.

3 Doc 5 : Tirez des conclusions quant à l’efficacité des deux processus de dégradation du glucose.

Activités pratiques Assurer le renouvellement des molécules

Toutes les structures de l’organisme doivent être constamment renouvelées, même en dehors de la période de croissance. Elles nécessitent pour cela l’apport de « matériaux de construction ». Ceci concerne aussi bien les molécules de structure que les molécules fonctionnelles. • Comment s’effectue ce renouvellement des molécules aussi bien organiques que minérales ?

Un exemple de renouvellement moléculaire, celui des protéines

Des protéines contenues dans nos aliments...

Dans u ne cell ul existe p robable e humaine, il m téines différen ent 20 000 pro t e protéin es de s s , c e s o n t d e tructure s téines , des pr foncti o onnell enzyme es (de s, s téines d des anticorps, des pro e trans p entend u, chac ort...) etc. Bie n une de téines e ce xis très gra te dans la cellu s prond nom bre d’ex le en un emplair es.

digestion

iti

20 acides aminés différents

Modèle d’une protéine (représentation en ruban, chaque couleur correspond à un acide aminé).

... à la construction des protéines humaines

• L’enchaînement des différents acides aminés se fait dans un ordre précis.

Doc.1 Les protéines de bœuf, mais aussi de poulet, de lapin, du pain, des haricots... fournissent, après digestion, les acides aminés indis-

pensables à la construction des protéines humaines.

Renouveler les vitamines et les sels minéraux • La première vitamine fut isolée en 1911 par un chimiste allemand, C. Funck, à partir de riz complet. Comme cette molécule organique appartenait au groupe chimique des « amines » et qu’elle était indispensable à la vie, on lui donna le nom de vitamine.

• Il existe 13 vitamines. Elles ne peuvent pas être synthétisées par le corps humain et doivent donc être obligatoirement apportées par l’alimentation. Leur apport journalier recommandé (AJR) est cependant très faible, de quelques millionièmes (microgrammes-µg) à quelques millièmes de gramme (mg).

Vous t rouvere z dans « Po u r la part mieux ie page 6 c 4-65, u o m p r e n d r e » n , fonctio ns, sou r é p e r t o i r e d e r s ces et recomm qua an mines e dées de diver ntités s t sels m inéraux es vita.

• Presque tous les éléments chimiques du tableau périodique de Mendeleïev se trouvent dans notre corps !

iti

• Nos besoins quotidiens varient de quelques milligrammes par jour (mg/j) pour le calcium, le fer… à quelques millionièmes de gramme (µg/j) pour d’autres comme l’iode, le fluor… Ces derniers sont appelés oligo-éléments (du grec oligo : « rare »).

Doc.3 Les sels minéraux sont indispensables, mais à des doses très variables.

Pistes d’exploitation

3 L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

Doc.2 Les vitamines : petites, mais costaudes !

1 Doc. 1 : Pourquoi ne pouvons-nous pas utiliser les protéines telles qu’elles nous sont fournies par l’alimentation ? 2 Doc. 1 : Quelles sont les autres molécules devant subir les mêmes processus de renouvellement que les protéines ? 3 Doc. 2 et 3 : Pourquoi est-il important d’avoir une alimentation très variée ?

Activités pratiques

Bien s’hydrater, une obligation quotidienne

L’eau : le constituant principal de notre corps

Dents : 10 %

Poumons : 78 % Foie : 73 %

Reins : 81 % Peau : 71 %

Estomac : 75 % Intestin

Sang : 83 % Plasma : 90 %

Muscles : 75 %

60 %

0à6 mois

50 %

40 %

Femme

6 mois 1 à 12 12 à 18 19 à 50 plus de à 1 an ans ans ans 50 ans

Doc.2 La teneur en eau varie avec l’âge et le sexe.

L’eau représente près des 2/3 de notre masse totale.

Homme

70 %

Cœur : 79 %

80 %

Cerveau : 76 %

Teneur en eau du corps humain en pourcents

L’eau est le constituant principal de notre corps et pour fonctionner, tous nos organes doivent être hydratés en permanence. Si toutes nos cellules ne sont pas directement entourées de capillaires sanguins, toutes sont baignées par du liquide interstitiel*, un liquide essentiellement aqueux issu du sang. • Quelle est la proportion d’eau dans un organisme humain et où la trouve-t-on ? • Comment conserver une bonne hydratation de notre organisme ?

iti

Os : 22 %

Doc.1 Nos organes sont majoritairement constitués d’eau. Cellules des tissus

Capillaire sanguin

Doc.3 Les liquides du corps.

Adolescent de 60 kg %

masse

Liquide interne des cellules (cytosol*)

40 %

24 kg

Liquide situé entre les cellules (liquide interstitiel)

16 %

9,6 kg

Liquide du sang (plasma)

2,4 kg

Total

60 %

36 kg

Boire et éliminer ENTRÉES

SORTIES

Boissons 1 600 mL

Respiration 300 mL Transpiration 600 mL

Aliments 700 mL Métabolisme (eau issue des réactions chimiques) 200 mL

Urine 1 500 mL

Total : 2 500 mL

Matières fécales 100 mL

Total : 2 500 mL

Doc.4 Seul un équilibre hydrique parfait entre nos entrées et nos sorties d’eau permet l’hydratation adéquate de notre organisme. 96,9 %

4,07 %

3 76,3 %

7,8 %

58 %

26,3 % 76 %

18 %

70,5 %

En pourcentages du poids sec (sans eau) de produit cru.

Doc.5 Nos aliments contiennent plus d’eau que nous ne le pensons généralement.

Lexique • Liquide interstitiel (ou lymphe interstitielle) : liquide issu du plasma sanguin, de composition similaire à celui-ci et baignant toutes les cellules du corps. • Cytosol : solution aqueuse interne des cellules, constituant majeur du cytoplasme.

Pistes d’exploitation 1

: Calculez votre propre quantité d’eau ainsi que sa répartition dans les liquides de votre corps.

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

33 %

iti

85,6 %

94,3 %

74,9 % 91,2 %

91,1 %

81,3 %

2 Doc. 4 et 5 : Pourquoi ne faut-il boire ni trop ni trop peu d’eau chaque jour ? Quels sont les facteurs pouvant entraîner des variations de la quantité d’eau perdue ?

Synthèse Les besoins nutritionnels de l’organisme Les organes de notre corps fonctionnent de jour comme de nuit. Ils ont donc besoin de recevoir en permanence de l’énergie, mais aussi des matériaux indispensables à leur activité. Notre alimentation en est la seule source. Elle nous apporte des nutriments qui permettent le renouvellement des molécules qui nous constituent, mais aussi des molécules à rôle fonctionnel et énergétique. Un manquement à cet approvisionnement peut conduire à des carences importantes et générer des maladies.

1 Les rôles des nutriments • Les besoins de l’organisme sont de deux ordres : des besoins matériels et des besoins énergétiques. Ils doivent être satisfaits grâce à l’alimentation. Les nutriments issus de nos aliments permettent de renouveler des molécules assurant trois rôles essentiels : - un rôle énergétique afin de fournir directement aux cellules l’énergie nécessaire à leurs activités ou de mettre en réserve les molécules énergétiques dont elles pourraient plus tard avoir besoin ; - un rôle structural (ou plastique) afin de fournir les matériaux nécessaires à la construction du corps et à son entretien ; - un rôle fonctionnel afin de fournir les matériaux nécessaires à la formation des molécules fonctionnelles (enzymes, anticorps, hormones...). • Certaines catégories de molécules permettent de remplir une ou plusieurs de ces fonctions.

2 Assurer les besoins matériels Les besoins nutritionnels sont à la fois quantitatifs et qualitatifs. Il faut en effet se procurer par l’alimentation suffisamment de molécules pour satisfaire à la construction, l’entretien et le fonctionnement du corps, mais il faut aussi que la qualité de ces matériaux soit suffisante. • Les besoins en substances minérales concernent l’eau et les sels minéraux :

- l’eau joue un rôle à la fois structural et fonctionnel. Elle est en effet le constituant le plus abondant du corps humain : un adulte de 70 kg contient environ 45 litres d’eau, dont une trentaine de litres environ à l’intérieur de ses cellules. Mais elle joue aussi un rôle fonctionnel, notamment comme transporteur de molécules dans les liquides circulant du corps (sang, lymphe, liquide interstitiel).

Les besoins en eau doivent compenser les pertes quotidiennes. L’organisme humain est en effet peu résistant à une déshydratation ; la privation de boisson est beaucoup plus rapidement mortelle que la privation de nourriture. Les pertes quotidiennes dépendent beaucoup de l’activité du sujet et de l’environnement. Elles sont, de toute manière, importantes et atteignent en moyenne 2,5 L par jour : 1 à 1,5 L par les urines, le reste par la sueur, les matières fécales et la respiration (sous forme de vapeur d’eau rejetée avec l’air expulsé). Les apports quotidiens doivent donc être du même ordre de grandeur. Beaucoup d’aliments sont très hydratés et fournissent une part de cet apport (près d’1 L en moyenne) ; le complément doit être apporté par la boisson (soit 1,5 L à 2 L en moyenne) ; - les sels minéraux jouent un rôle essentiellement fonctionnel. Néanmoins certains comme le calcium ou le phosphore entrent dans la composition des os et, tout en jouant des rôles fonctionnels fondamentaux, participent de ce fait également à la « charpente » du corps. Les besoins en sels minéraux correspondent au remplacement de ceux éliminés par les urines, la sueur, les excréments. Même si tous les sels minéraux ne sont indispensables qu’à faibles doses, les besoins quotidiens de certains sont « importants » (quelques mg) comme ceux en calcium et phosphore de l’os, en fer de l’hémoglobine, en potassium, en magnésium... D’autres par contre sont présents en quantités si faibles que l’on parle d’oligo-éléments ; ils ne sont nécessaires qu’à l’état de traces (quelques millionièmes de gramme ou µg) comme par exemple l’iode indispensable au fonctionnement de la glande thyroïde. • Les besoins en substances organiques sont complexes : - chez l’homme et chez de nombreuses espèces animales, les glucides jouent un rôle essentiellement énergétique. Il n’en est pas de même pour les végétaux où la cellulose, constituant principal de la paroi cellulosique, est une molécule structurale de première importance (voir UAA2). Si nous sommes incapables de digérer ces fibres de cellulose que l’on nomme, quand elles sont contenues dans les aliments, des « fibres alimentaires », celles-ci jouent néanmoins un rôle indispensable dans notre tube digestif. Elles augmentent le temps de mastication et le volume du bol alimentaire, favorisant de ce fait la sensation de satiété. Par ailleurs, elles améliorent le transit intestinal et favorisent l’absorption des nutriments par l’intestin, tout en diminuant celle de certains lipides dont le cholestérol ;

Il existe une dépense énergétique minimale : le métabolisme de base. Celui-ci correspond aux dépenses incompressibles de l’organisme permettant de maintenir les activités vitales (fonctions circulatoire et respiratoire, entretien de la vie cellulaire...). Il est de l’ordre de 6 700 kJ par jour pour un adulte mais varie selon l’âge et le sexe du sujet (il est plus élevé pour les hommes).

4 Respiration cellulaire et fermentation

L’énergie contenue dans les nutriments doit pouvoir être utilisée par l’organisme, et donc par ses cellules. Ceci s’effectue grâce à la respiration cellulaire et, dans une moindre mesure, grâce à la fermentation.

• Au cours de la respiration cellulaire, le glucose C6H12O6 subit une dégradation totale qui fait intervenir du dioxygène O2 et qui libère de l’énergie directement utilisable pour le métabolisme. Suite à cette oxydation, il ne reste de la molécule organique de départ que des déchets minéraux : de l’eau H2O et du dioxyde de carbone CO2. Ceux-ci, libérés par la cellule, devront être éliminés par l’organisme. Ainsi, le processus de respiration générale (pulmonaire), propre aux animaux dont l’homme, s’explique par l’activité respiratoire de chacune de leurs cellules : une prise de dioxygène et un rejet de dioxyde de carbone et d’eau. L’énergie libérée par la respiration cellulaire est en partie dissipée sous forme de chaleur, mais aussi consommée pour l’activité cellulaire et notamment pour la synthèse et le renouvellement des molécules.

3 Nutriments

glucose

3 Assurer les besoins énergétiques

acides aminés

sels minéraux acides gras

• Les besoins énergétiques journaliers d’un individu varient de façon très importante. Les besoins énergétiques quotidiens dépendent : de l’âge (dépenses maximales chez les adolescents, de l’ordre de 240 kJ/kg/jour pour un garçon et de 210 kJ/kg/jour pour une fille), du sexe (les hommes dépensent plus que les femmes), de la température extérieure, et surtout de l’activité physique. Le métabolisme (du grec metabolê = changement) est l’ensemble des réactions chimiques de l’organisme. Il comprend deux types de réactions étroitement liées : les réactions d’anabolisme ou de construction, durant lesquelles des substances simples sont combinées en substances plus complexes (p. ex. la synthèse d’une protéine), et les réactions de catabolisme ou de destruction, durant lesquelles les substances complexes sont dégradées en substances simples (p. ex. la transformation des aliments en nutriments).

eau

glycérol

dioxygène

synthèse Respiration de molécules cellulaire nouvelles (ASSIMILATION)

ÉNERGIE nécessaire à la vie de la cellule une cellule

eau, dioxyde de carbone

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

iti

- les protides sont les molécules structurales et fonctionnelles par excellence. Ainsi, les fibres musculaires, le collagène de la peau, la structure de base des os... sont faites de protéines et de très nombreuses structures cellulaires sont protéiques. Par ailleurs, beaucoup de molécules fonctionnelles sont des protéines : enzymes, hormones, anticorps, hémoglobine... Le rôle énergétique des protides est faible. Cependant, lorsque le corps subit une période de jeûne très prolongé (p. ex. en cas de famine), les protéines structurales peuvent être dégradées afin de servir de source énergétique. On observe alors une fonte musculaire parfois spectaculaire ; - les lipides jouent, comme les glucides, un rôle énergétique majeur. Les réserves énergétiques des animaux se font essentiellement sous forme de graisse. Mais les lipides jouent aussi un rôle structural fondamental puisqu’ils sont notamment les constituants principaux des membranes cellulaires. Certains lipides sont également des molécules fonctionnelles de première importance, comme certaines hormones sexuelles par exemple. Les graisses et huiles sont constituées de glycérol et d’acides gras. Il est préférable de privilégier les huiles végétales car leurs acides gras (dits insaturés), sont meilleurs pour la santé. Les acides gras (saturés) des graisses animales favorisent en effet plus l’apparition de maladies cardio-vasculaires ; - les vitamines sont un ensemble de treize substances organiques jouant uniquement un rôle fonctionnel. Elles interviennent dans les réactions biochimiques des cellules. Indispensables à doses très faibles (quelques µg ou mg par jour au plus), elles doivent être obligatoirement présentes dans l’alimentation car elles ne sont pas synthétisées (construites) par l’organisme.

• Les activités cellulaires nécessitent de l’énergie, SG

• La fermentation a un rendement nettement inférieur à celui de la respiration cellulaire. En effet, alors que les déchets de la respiration ne possèdent plus d’énergie, l’éthanol et l’acide lactique sont des molécules hautement énergétiques. Toute l’énergie contenue dans le glucose n’est donc pas utilisable pour la cellule.

iti

L’essentiel

même lorsque l’oxygène vient à manquer. Certaines cellules sont alors capables de produire de l’énergie en l’absence d’oxygène grâce au processus chimique de fermentation. Dans ce cas, la dégradation du glucose n’est pas totale et produit d’autres molécules organiques. Alors que la respiration cellulaire est toujours identique à elle-même, il existe différents processus de fermentations qui doivent chacune leur nom au type de déchet

créé. Lors de la fermentation lactique, les cellules musculaires soumises à un effort intense et mal oxygénées fermentent le glucose en formant de l’acide lactique responsable des crampes musculaires. Les bactéries du yaourt dégradent aussi le sucre du lait ou lactose en acide lactique, beaucoup plus digeste pour les adultes. La fermentation alcoolique produit de l’éthanol ou alcool à boire. Elle n’est réalisée que par certaines levures, bactéries ou cellules végétales, mais jamais par les cellules animales et donc par aucune de nos cellules.

• Toutes les cellules respirent. Les cellules végétales, tout comme les cellules animales, doivent trouver l’énergie indispensable à leurs activités. Le processus de respiration cellulaire est dès lors identique pour les organismes autotrophes et hétérotrophes : glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau, avec libération d’énergie (voir aussi Chap. 6).

• Les besoins de l’organisme sont de deux ordres : des besoins matériels d’une part (trouver dans l’alimentation les matériaux nécessaires à la construction et l’entretien du corps, ainsi qu’à son fonctionnement), des besoins énergétiques d’autre part (consommer des aliments dont la dégradation fournira l’énergie nécessaire aux activités). Les nutriments issus des aliments doivent dès lors permettre que soient assurés des rôles structuraux, fonctionnels et énergétiques. • Les besoins matériels correspondent aux « fuites » d’eau et de sels minéraux d’une part, aux besoins en substances organiques d’autre part. La ration alimentaire doit aussi apporter en faible quantité les différentes vitamines. Il faut donc diversifier ses aliments pour couvrir au mieux ses besoins non seulement quantitatifs, mais aussi qualitatifs. • Les besoins énergétiques sont très variables selon l’âge, le sexe et surtout le niveau d’activité physique. Le métabolisme de base est une dépense énergétique minimale et « incompressible » permettant le maintien des activités vitales. • En présence d’oxygène toutes les cellules réalisent la respiration cellulaire qui dégrade les molécules organiques dont le glucose en dioxyde de carbone et eau, libérant ainsi de l’énergie directement utilisable pour le métabolisme. SG En l’absence d’oxygène, certaines cellules peuvent réaliser une fermentation qui libère cependant moins d’énergie que la respiration cellulaire.

Schéma-bilan

Les besoins nutritionnels de l’organisme

Des besoins matériels quantitatifs et qualitatifs

ALIMENTS BÂTISSEURS

RÔLE ÉNERGÉTIQUE

eau

NUTRIMENTS

ALIMENTS FONCTIONNELS

ALIMENTS ÉNERGÉTIQUES

RÔLE STRUCTURAL

RÔLE FONCTIONNEL

Une demande énergétique qui varie d’un individu à l’autre et d’une activité à l’autre couché au lit 310

3 Glucose Dioxygène une cellule

350

iti

femme adulte

De l’énergie libérée par la respiration cellulaire et la fermentation

adolescent 16-20 ans 535

footbal 1800

Respiration cellulaire

Fermentation

Eau Éthanol, acide lactique

valeurs en kilojoules/heure

Dioxyde de carbone

Énergie

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

Des besoins énergétiques

Des aliments permettant de renouveler dans notre corps des molécules aux rôles différents

Pour mieux comprendre… A

Les sels minéraux Magnésium

Phosphore

Potassium

Cuivre

Où les trouver ?

Produits laitiers, légumes verts, légumineuses, certaines eaux...

Presque tous les aliments, bananes, chocolat, fruits secs...

Produits laitiers, poissons, viande, œufs, bananes, chocolat...

Viande, lait, fruits, céréales, poissons...

Viande, poissons, légumes verts, fruits secs, céréales complètes...

AJR*

0-25 ans :1 200 mg après : 800 mg

300-350 mg

800 mg

Non établi

2-3 mg

Fonctions principales

Formation des os et des dents, transmission nerveuse, contraction musculaire

Synthèse des protéines, effet relaxant sur les muscles

Effets de carences

Retards de croissance, rachitisme, ostéoporose, tétanie musculaire

Troubles neuromusculaires, crampes ou spasmes musculaires

Remarques

Le plus abondant minéral du corps humain (1 – 1,5 kg)

AJR*

Faiblesses musculaires, insuffisances cardiaques, diarrhées

Anémie, altération des os

Anti-infectieux et anti-inflammatoire, synthèse d’hémoglobine

Faiblesses, rachitisme, déminéralisation des os

Poissons et fruits de mer, produits laitiers...

Absent du lait, ce sont surtout les nouveauxnés qui en manquent

Fer

Sodium

Fluor

Zinc

Œufs, viande rouge, légumes verts, foie...

Sel de table, charcuteries, fromages...

Eau ou dentifrice fluoré, thé, fruits de mer...

Très répandu dans l’alimentation, poisson, viande, légume, noix...

iti

Où les trouver ?

Formation des os, des Equilibre acido-basique dents, des membranes du sang, transmission cellulaires, libération nerveuse, synthèse des protéines... d’énergie

Carences rares à cause des phosphates alimentaires

Iode

Calcium

10-15 mg

1,5-4 mg

15 mg

Formation des hormones de la thyroïde

Constituant de l’hémoglobine (transport d’O2)

Distribution de l’eau dans les liquides corporels, fonctionnement neuronal et musculaire

Structure des dents et des os

Constituant de nombreuses enzymes, essentiel à la cicatrisation

Effets de carences

Fatigue, perte d’appétit, prise de poids, manque de réactivité nerveuse

Anémie, troubles gastro-intestinaux, fatigue

Crampes, diarrhée, problèmes rénaux, sudation

Carie dentaire

Déficit immunitaire, arrêt de la croissance, chute de cheveux

Remarques

Une carence chez le fœtus provoque des retards mentaux graves

Le fer végétal est moins bien absorbé que le fer animal

Les Belges consomment en moyenne 6 à 10 fois trop de sel !

Eviter de cumuler les sources (dentifrice + eau + sel fluorés)

Le zinc végétal est moins bien absorbé que le zinc animal

0,15 mg

Fonctions principales

* AJR : apport nutritionnel journalier recommandé. Les apports journaliers en sels minéraux et en vitamines varient en fonction du sexe, de l’âge et des conditions physiologiques particulières (grossesse, allaitement, exercices physique intenses...).

Doc.1 Une liste (incomplète) de quelques sels minéraux essentiels pour la santé.

...les sels minéraux et les vitamines B

Les vitamines

Vitamines hydrosolubles (donc solubles dans l’eau et les liquides de l’organisme ; la plupart ne sont pas emmagasinées) Vitamine B2 (riboflavine)

Vitamine B9 (acide folique)

Vitamine B3 ou PP (nicotinamide)

Où les trouver ?

Agrumes, fruits rouges, légumes verts, tomates, poivrons...

Levure, viande, oeufs, céréales complètes, asperges, arachides...

Légumes à feuilles vertes (haricots, brocolis, épinards...), pain (levure)...

Viande, foie, poisson, céréales complètes, haricots, noix...

Fonctions principales

Métabolisme cellulaire, synthèse des protéines, facilite la cicatrisation, combat fatigue et stress

Métabolisme des glucides et des protéines

Synthèse de l’ADN et des acides gras, formation des globules rouges et blancs

Respiration cellulaire

1,5-2 mg Problèmes oculaires, dermatite, lésion de la muqueuse intestinale, anémie

Remarques

Rapidement détruite par la chaleur

400 µg

15-20 mg

Problèmes sanguins, dépression nerveuse, fatigue, nausée, dermatite

Pellagre (lésion cutanée et langue noire), troubles digestifs et nerveux

Aussi élaborée par les bactéries du gros intestin

Populations à régime pauvre en protéines animales

80 mg Scorbut (voir page 77), anémies, mauvaise cicatrisation, irritabilité

AJR* Effets de carences

Vitamine C (acide ascorbique)

Vitamine K

Vitamine E (tocophérol)

Carottes, jaune d’œuf, fruits et légumes jaune,orange et rouge, légumes à feuilles vertes...

Beurre, foie, poissons gras, œufs... mais n’est fabriquée que si la peau est exposée au soleil.

Huiles végétales, légumes à feuilles vertes, œuf, lait, fruits secs, poisson gras...

Epinard, choux, persil, foie, œufs...

Fonctions principales

Favorise l’acuité visuelle (vitamine « de l’œil »), améliore la cicatrisation de la peau, croissance, développement normal des tissus

Métabolisme du phosphore et du calcium, permet la fixation du calcium sur les os, les dents

Formation des globules rouges, maintien des membranes cellulaire, synthèse d’ADN, fonctionnement nerveux, ralentissement du vieillissement (p. ex. peau)

Favorise la coagulation du sang

AJR*

800 µg

10 µg

1 µg

100 µg

Effets de carences

Baisse de la vision crépusculaire, perte de poids, arrêt de croissance, lésions de la cornée

Rachitisme, perte de tonus musculaire

Anomalies des structures membranaires cellulaires, anémie

Hémorragies

Remarques

Les personnes carencées suivent en général un régime pauvre en graisses

Les jeunes, surtout à la peau claire, en fabriquent 2 fois plus que les personnes âgées

Carences rares sauf en cas de maladies digestives ; craint la lumière

Aussi élaborée par les bactéries du gros intestin

iti

Où les trouver ?

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

Vitamine D (calciférol)

Vitamine A (rétinol)

Vitamines liposolubles (nécessitant des sels biliaires et des lipides alimentaires pour être bien digérées)

* AJR : apport nutritionnel journalier recommandé.

Doc.2 Quelques-unes des treize vitamines liposolubles et hydrosolubles.

Exercices Je connais

B. Donnez le nom…

D. Quelle est la différence entre... a. ... rôle structural et rôle fonctionnel ? b. ... respiration cellulaire et fermentation ? c. ... protéine de bœuf et protéine humaine ? d. ...métabolisme de base et dépenses énergétiques quotidiennes ? e. …vitamines et sels minéraux ?

a. …des nutriments fournissant de l’énergie à l’organisme. b. …des nutriments structuraux. c. …des nutriments fonctionnels. d. …du déchet organique responsable des crampes musculaires.

rôle structural des nutriments, métabolisme de base, respiration cellulaire, fermentation alcoolique, bilan hydrique, bilan énergétique.

b. Un gramme de glucide libère autant d’énergie qu’un gramme de lipide. c. Les adolescents doivent manger comme les adultes. d. En absence d’oxygène, toutes les cellules de notre corps peuvent réaliser la respiration cellulaire ou la fermentation lactique. e. L’eau représente 1/3 de notre masse corporelle. f. Un bilan hydrique correct est obtenu en buvant suffisamment d’eau pour remplacer celle perdue par l’organisme.

A. Définissez les mots ou expressions :

C. Vrai ou faux ?

Parmi les affirmations suivantes, recopiez celles qui sont exactes et corrigez celles qui sont erronées. a. Les vitamines sont des substances énergétiques.

Comprendre le rôle des vitamines

iti

J’applique et je transfère Lot A

Afin de déterminer l’effet de la vitamine A, on effectue des expériences sur des rats de laboratoire.

Expérience

Des rats sont répartis en deux lots. • 1° Le lot A reçoit une alimentation normale tandis que le lot B reçoit une alimentation carencée en vitamine A. On constate que les animaux du deuxième lot présentent rapidement des troubles de la vision, ce qui n’est pas le cas des animaux du premier lot. • 2° On ajoute alors des graisses animales, riches en vitamine A, à la ration des rats du lot B. Ces rats retrouvent rapidement leur capacité visuelle.

Lot B

1° nourriture normale Vision normale Vision altérée 2°

1- Que signifie l’expression « alimentation carencée en vitamine A » ? 2- Quelles sont les conséquences de cette carence ? Que peut-on en conclure ? 3- Pourquoi classe-t-on la vitamine A dans le groupe des vitamines « liposolubles » ?

alimentation carencée en vitamine A

Lot B

nourriture + graisse animale

Vision normale

Les besoins en calcium

Le graphe ci-dessous indique les besoins alimentaires en calcium pour une femme adulte à différents moments de sa vie.

• Le calcium présent dans les os représente 99 % du calcium de l’organisme • L’os est un tissu vivant en perpétuel remaniement. • Chaque jour l’organisme élimine (dans l’urine principalement) du calcium. • La ménopause est responsable d’une perte quotidienne en calcium accrue.

les besoins en calcium (en mg/jour)

1 200

900

femme adulte

900

1 200

grossesse

allaitement

ménopause

900

1 500

1- Quels sont les besoins en calcium d’une femme adulte ? Comment expliquez-vous que ces besoins soient quotidiens ? 2- Qu’est-ce qui explique l’augmentation des besoins au cours de la grossesse ? Et au cours de l’allaitement ? 3- Les médecins conseillent, comme moyen de prévention contre les fractures du col du fémur, une augmentation de

iti

On réalise deux suspensions de 10 grammes de levure dans un litre d’eau distillée : - la suspension 1 est préparée 36 à 48 heures avant la manipulation et constamment oxygénée avec un aérateur d’aquarium ; - la suspension 2, préparée juste avant l’expérience, est également oxygénée. • La suspension 1 est placée dans une microcuve équipée de deux sondes permettant d’enregistrer les quantités de CO2 et d’O2 présents dans le milieu, selon un protocole similaire à celui de la page 53. On mesure alors les variations des teneurs du milieu en dioxygène et gaz carbonique. On recommence la même manipulation avec la suspension 2. Le logiciel Cell-C (Ets Jeulin) permet de superposer sur l’écran de l’ordinateur les courbes obtenues au cours des deux expériences.

Résultats suspension 1 suspension 2

a - O2 b - CO2 c - O2 d - CO2 a

d b

1- Rappelez le mode métabolique des levures (autotrophie ou hétérotrophie). 2- Comparez les résultats obtenus et expliquez la différence de comportement des deux suspensions cellulaires.

3 L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

Un enregistrement avec des levures placées dans des conditions différentes

l’apport quotidien en calcium après la ménopause. Pourquoi ?

Comparer des aliments

1% 55 %

21 %

7,5 %

0,8 % poulet

endives

15 %

75 %

60 %

15 %

25 %

noix

raisins secs glucides

eau

20 %

camembert

lipides

1,3 %

protides

pain

1- Rappelez quels sont les rôles joués dans l’organisme par les protides, glucides, lipides et l’eau. 2- Comparez les raisins secs et la noix qui sont généralement considérés comme des « fruits secs ». Au vu de leur com-

L’utilisation d’un « combustible »

position, font-ils partie du même groupe d’aliments ? Justifiez. 3- Parmi les aliments présentés, quels sont ceux faisant partie des aliments bâtisseurs, des aliments énergétiques et des aliments fonctionnels ?

iti

Par une technique de coloration appropriée, on met en évidence le glycogène, un glucide de réserve présent dans les cellules musculaires. Dans un muscle au repos, toutes les cellules contiennent du glycogène (couleur rose). La photographie présente quelques cellules musculaires dont certaines ont été maintenues en contraction prolongée par une stimulation appropriée. On constate l’apparition de cellules de couleur rose pâle et d’autres de couleur blanche. 1- Sur la photographie, que représentent les plages rose foncé ? Et les plages blanches ? 2- Formulez une hypothèse pour expliquer la disparition du glycogène dans certaines cellules musculaires.

× 2 000

Les dangers de la déshydratation Volume d’eau perdue Symptômes (pour un adulte de 75 kg) 1 L Soif de plus en plus intense, sécheresse de la bouche et de la gorge 3 L Fatigue, somnolence, nausée, sautes d’humeur, diminution de la transpiration 4 L Maux de tête, vertiges, fièvre, fréquences cardiaque et respiratoire accélérées, urine visqueuse 5 L Étourdissements, troubles de l’élocution, faiblesse, crampes musculaires, problèmes de mémoire

6 L Délire, problèmes circulatoires, langue enflée, volume sanguin réduit, insuffisance rénale 9 L Incapacité d’avaler, sécheresse de la peau, douleurs en urinant, douleurs musculaires, difficultés respiratoires

12 L Mort imminente

1- On considère comme une déshydratation sévère, et donc comme une urgence médicale, une perte d’eau égale à 5-10 % de la masse corporelle. À combien de litres d’eau cela correspondrait-il dans votre cas ?

2- Quelles sont dans la population les groupes de personnes présentant le plus de risques de déshydratation ?

Comprendre les étapes d’une découverte

tement fut appliqué avec succès aux prisonniers. Ainsi, la maladie n’était due ni à un microbe, ni à un parasite, mais à l’absence d’une substance alimentaire.

A. Travaux de Ch. Eijkman (fin du XIXe siècle)

iti

En 1897, dans un pénitencier de Java dont les habitants étaient frappés par la maladie, Ch. Eijkman, médecin hollandais, remarqua que les poules, alimentées comme les prisonniers de riz décortiqué, présentaient des troubles comparables. Les poules appartenant aux habitants de l’île, qui se mélangeaient pourtant souvent aux poules du pénitencier, ne contractaient jamais la maladie. Le médecin constata qu’elles étaient nourries de riz complet non décortiqué. Il songea alors à ajouter à l’alimentation des poules malades du son de riz (enveloppe du grain). La guérison survint rapidement. Le même trai-

En 1911, le chimiste allemand C. Funk extrait du son de riz la substance chimique active (quelques centigrammes extraits de 100 kg de riz). En l’analysant, il constate qu’il s’agit d’une substance organique du groupe des amines. Il lui donne le nom de « vitamine » car elle est indispensable à la vie. Depuis cette découverte, on a isolé une douzaine d’autres substances dont l’absence dans le régime alimentaire détermine des troubles nettement caractérisés (scorbut, rachitisme…). Même si toutes ne sont pas des amines, on leur a conservé le nom de vitamine en les distinguant les unes des autres par les lettres de l’alphabet (A, C, D, E, K, B1, B2, B12…).

1- Précisez quelles sont les différentes étapes de la démarche d’Eijkman. Pourquoi peut-on parler d’expérimentation ? 2- La découverte de Funk complète celle d’Eijkman. Expliquez comment. 3- Expliquez comment les travaux d’Eijkman et de Funk ont ouvert une nouvelle voie de recherches biomédicales.

B. Les travaux de Funk (début du XXe siècle)

L e s b e s o i n s n u t r i t i o n n e l s d e l ’ o r g a n i s m e Chapitre

La première avitaminose reconnue comme telle et analysée expérimentalement est le béribéri. Cette maladie des « mangeurs de riz », observée surtout en Extrême Orient, est caractérisée par des troubles nerveux accompagnés de paralysies. Voici deux étapes de sa découverte.

Les voies de la performance Protocole expérimental • Le tableau ci-dessous montre comment les athlètes, dans diverses situations, utilisent les voies métaboliques de la respiration cellulaire et de la fermentation. Les chiffres sont approximatifs : la demande en oxygène varie avec la taille, la forme physique, l’âge... de l’individu.

• Pour gagner un sprint de 100 mètre en moins de 10 secondes, un athlète devrait pouvoir disposer de près de 10 litres d’oxygène. C’est en effet la quantité nécessaire à la conversion de l’énergie de ses glucides par respiration cellulaire. Cependant, la prise maximale d’oxygène par les poumons ne peut guère dépasser 4 à 5 litres par minute et la quantité d’oxygène réellement inspirée lors d’un sprint est inférieure à un demi litre !

Vitesse atteinte (en km/h)

Besoin en O2 (en L)

Dioxygène inspiré (en L)

100 m 800 m 1 500 m 10 000 m Marathon (42 186 m)

37 27 25 21,5

10 26 36 150

0 – 0,5 9 19 133

700

respiration cellulaire

fermentation anaérobie

0-5 % 35 % 55 % 90 %

95-100 % 65 % 45 % 10 %

98 %

Épreuve sportive

Pourcentage d’énergie fourni par la

685

D'après Revised Nuffield Biology

1- Rappelez en quoi consiste la transformation d'énergie dans le cas d’une cellule musculaire et quelle peut en être la

conséquence.

2- Expliquez le lien existant entre le type d’épreuve sportive et la voie métabolique utilisée par les cellules musculaires

iti

lors de ces épreuves. Pourquoi l’oxygénation varie-t-elle selon la course ?

7 chapitre

IN N VA s

Les cellules, structures de base des végétaux

iti

De la prise d’eau et de sels minéraux par les racines à la formation des molécules organiques par les feuilles, toutes les étapes de la photosynthèse se réalisent au niveau de structures anatomiques bien particulières, les cellules. L’objectif de ce chapitre est de comprendre l’organisation de ces cellules et comment elles fonctionnent.

125

Activités pratiques Observation de cellules végétales

Tous les êtres vivants sont constitués de cellules : elles en sont les structures de base. Elles présentent toutes des caractéristiques communes et des divergences dues à leur appartenance à tel ou tel organisme mais aussi à leur position ou à leur fonction dans un même organisme. • Quelles sont les caractéristiques générales des cellules végétales ?

Observation au microscope optique des cellules chlorophylliennes d’une feuille

Protocole expérimental

1. À l’aide d’une lame de rasoir, faire des coupes transversales très minces dans une feuille de houx ou de seringa, perpendiculairement aux nervures.

trois cellules végétales :

épiderme supérieur

iti

2. Monter quelques coupes entre lame et lamelle dans une goutte d’eau.

lacunes

paroi cellulosique cytoplasme

vacuole chloroplaste

épiderme inférieur stomate*

126

Doc.1 Observation en microscopie optique et schématisation d’une coupe transversale de feuille de Seringa.

Des observations complémentaires Protocole expérimental

L’élodée (photographie c) est une plante aquatique, commune dans les étangs et les cours d’eau.

× 700

1. Prélever une feuille d’élodée près de l’extrémité d’un rameau. 2. Placer cette feuille sur une lame, dans une goutte d’eau. 3. Recouvrir d’une lamelle et observer (photographie d).

Si l’observation se prolonge, certains chloroplastes* ne restent pas immobiles, ils sont entraînés par un déplacement du cytoplasme vivant.

membrane (cyto)plasmique

paroi cellulosique

chloroplaste

iti

1. Prélever une toute jeune feuille dans le bourgeon terminal d’une élodée : elle sera moins chargée en chloroplastes que les feuilles plus âgées. 2. Faire trois montages en utilisant successivement comme liquide d’examen : eau, rouge neutre (photographie e), eau iodée. Remarque : le noyau des cellules n’est pas visible.

vacuole

cytoplasme

Doc.4 Un colorant vital des vacuoles* : le rouge neutre dilué.

Lexique • Chloroplaste : organite cytoplasmique globuleux contenant de la chlorophylle. • Cytoplasme : contenu de la cellule comprenant du liquide, le cytosol, et des organites. • Organite : nom désignant une structure cellulaire de forme bien définie et qui remplit une fonction cellulaire déterminée. • Stomate (du grec stoma = bouche) : région spécialisée de la feuille permettant les entrées et sorties d’eau et de gaz. • Vacuole : poche incluse dans le cytoplasme, limitée par une membrane et remplie de liquide (eau et diverses substances dissoutes).

Pistes d’exploitation 1 Doc. 2 et 3 :

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

Protocole expérimental

Faites un schéma légendé d’une cellule végétale montrant toutes les structures et organites* visibles en microscopie optique.

2 Doc. 2 et 3 : Émettez des hypothèses sur le(s) rôle(s) joué(s) par chacune des structures décrites.

127

Doc.3 Observation des chloroplastes de la feuille d’élodée.

× 1 000

Activités pratiques

La paroi cellulosique : une particularité de la cellule végétale

Une particularité des cellules végétales est que sa membrane plasmique est doublée extérieurement par une paroi cellulosique complexe. • Quelle est l’organisation de la paroi des cellules végétales ? • Quelles sont les structures végétales qui dérivent de ces parois cellulosiques ?

N VA

• Technique de coloration - Réaliser avec une lame de rasoir une coupe aussi fine que possible dans un organe végétal (une racine jeune par exemple). - Placer les coupes pendant un quart d’heure dans de l’eau de Javel (les cellules sont tuées et leur contenu détruit). - Après rinçage et passage dans de l’acide acétique, plonger les coupes dans une solution de carmin aluné pendant quelques minutes. - Rincer et monter dans une goutte d’eau entre lame et lamelle. N.B. Sur une telle coupe, le carmin aluné colore spécifiquement la cellulose en rose.

Observation de la paroi des cellules végétales

× 200

iti

Une remarque importante Les parois visibles sur ces documents appartiennent à des cellules ayant terminé leur croissance. Ces parois cellulosiques sont relativement rigides à tel point que l’on parle parfois de « paroi squelettique » pour les désigner. Une telle structure est incompatible avec une élongation notable de la cellule, notamment lors de sa croissance. En revanche, la paroi des cellules jeunes (dans les pointes des racines par exemple) a une structure plus simple qui permet des transformations et autorise la croissance de la cellule.

Doc.1 La cellulose est le constituant essentiel de la paroi des cellules végétales.

La molécule de cellulose est une longue molécule linéaire constituée d’une succession de molécules de glucose attachées en files. Ces files sont rendues solidaires par des liaisons chimiques relativement fragiles. Environ 80 molécules de cellulose s’associent pour former une microfibrille et plusieurs microfibrilles s’assemblent pour former une fibrille de cellulose. Celles-ci s’assemblent alors pour former la paroi cellulosique des cellules végétales.

fibrille de cellulose

microfibrille molécule de glucose

molécule de cellulose D'après Campbell, Biologie, De Boeck.

128

Doc.2 La constitution de la cellulose.

Des structures végétales issues de la paroi cellulosique

1. Des cellules disposées en files s’allongent parallèlement à l’axe de la tige (ou de la racine ou de la nervure de la feuille). 2. La paroi cellulosique des cellules est renforcée par des épaississements internes de lignine* produits par le cytoplasme. 3. Les parois transversales des files cellulaires disparaissent ainsi que le contenu cytoplasmique. Il reste ainsi un tube, le vaisseau, constitué d’une file de cellules mortes.

cytoplasme

noyau

vacuole

un vaisseau

En rouge : paroi cellulosique. En vert : épaississement interne de lignine.

× 250

Doc.4 Un tube criblé, vaisseau du bois assurant

Fibres de sapin observées au microscope électronique à balayage.

paroi primaire (50 % de lignine + cellulose) paroi secondaire (lignine + cellulose) cavité interne vide (la cellule de départ est morte) Pin maritime.

Doc.5 La cellulose représente 40 à 45 % des bois résineux, 35 à 40 % du bois des feuillus.

• Lignine (du latin lignum = bois) : grosse molécule non glucidique qui relie entre elles les fibrilles de cellulose des parois cellulosiques.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : Quelle information apporte cette observation ? 2 Doc. 3 et 4 : Expliquez à quoi servent les perforations qui sont observées dans ces vaisseaux et qui leur donnent leur nom (tubes criblés).

3 Doc. 2 et 5 : La cellulose est constituée de glucose, comme l'amidon. Les fibres du bois servent-elles alors de réserves énergétiques pour la plante ? Justifiez votre réponse.

129

Lexique

Nature chimique du bois : lamelle mitoyenne (90 % de lignine)

iti

× 1 000

sève.

le transport de la sève élaborée, observé au microscope électronique à balayage. L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

Doc.3 La formation des vaisseaux, structures cellulosiques assurant les transports de la

Activités pratiques La cellule est compartimentée

Nous venons de voir que les cellules végétales sont entourées d’une paroi cellulosique et d’une membrane plasmique. À l’intérieur, repoussés en périphérie par une grande vacuole centrale, se trouvent un noyau, du cytoplasme et des organites dont, notamment, des chloroplastes chargés de chlorophylle. • Comment se forme la vacuole centrale et comment la cellule végétale peut-elle croître malgré sa paroi cellulosique ? • Quelle est la fonction des chloroplastes ?

Pour comprendre l’organisation de la cellule végétale, plusieurs observations sont nécessaires

Observation de cellules à différents stades de croissance

P rotocole expérimental

iti

1. Faire germer des grains de blé sur du papier filtre humide, dans une assiette recouverte d’une vitre. 2. Quatre jours plus tard, couper l’extrémité d’une racine (1 cm environ) et la plonger une minute dans un liquide physiologique de composition proche de celle du cytosol, additionné de colorant (rouge neutre 0,5 g/L). 3. Monter la racine entre lame et × 900 lamelle dans une goutte de liquide physiologique. Appuyer doucement sur la lamelle pour dissocier les cellules sans les écraser. 4. Observer au microscope optique la forme et la taille des cellules d’une part, la taille et l’aspect des vacuoles d’autre part, dans des cellules situées à différents niveaux (1 à 5) de la racine.

Résultats

La quantité de cytoplasme augmente très peu au cours de la croissance d’une cellule.

5 4 3 2 1

4 3 2

1 grande vacuole centrale

très petites vacuoles

130

Doc.1 Un grand réservoir qui sert aussi à la croissance de la jeune cellule végétale.

Mise en évidence d’une synthèse d’amidon dans les chloroplastes Protocole expérimental

× 500

iti

chloroplaste

Doc.2 Une observation réalisable en classe.

1 1

1 1 1

1. enclaves d’amidon

Doc.3 Chloroplaste observé au microscope électronique à transmission à la fin d’une journée, après une longue exposition à la lumière.

Pistes d’exploitation

1 Doc. 1 : Que deviennent les vacuoles au cours de la croissance cellulaire ? Formulez des hypothèses permettant d’expliquer la relation existant entre l’absorption d’eau et la croissance de la cellule végétale.

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

× 18 300

1. Mettre des rameaux d’élodée dans de l’eau enrichie en dioxyde de carbone (ajouter de l’hydrogénocarbonate de sodium, NaHCO3, à 5 %, par exemple) puis placer l’ensemble à l’obscurité quelques heures. 2. Prélever une jeune feuille au niveau d’un bourgeon terminal. Monter cette feuille entre lame et lamelle dans une goutte d’eau additionnée d’eau iodée et observer (photo a). 3. Refaire l’observation en prélevant une feuille sur un rameau d’élodée qui a été vivement éclairé pendant quelques heures (photo b).

2 Doc. 1 : Une fois qu’elle a atteint sa taille adulte, une cellule végétale ne grandit plus. Expliquez pourquoi. Émettez des hypothèses sur le rôle joué alors par la vacuole centrale.

3 Doc. 2 et 3 : Que montrent ces observations ? Comment expliquez-vous la présence d’amidon dans les chloroplastes en fin de journée et son absence en fin de nuit ?

4 Doc. 2 et 3 : Ces expériences démontrent-elles à elles seules que les chloroplastes sont le siège de la photosynthèse ? Que faudrait-il démontrer également pour confirmer cette hypothèse ?

131

Activités pratiques La diffusion et l’osmose

La vacuole centrale est une structure remarquable remplie de liquide et de diverses substances dissoutes. Nous savons déjà qu’elle permet la croissance des jeunes cellules végétales, mais sa fonction principale s’exerce dans la cellule adulte. Elle permet aux plantes de supporter les périodes de sécheresse ou d’excès d’eau et sert de réservoir pour de nombreuses molécules dissoutes ou solutés. • Comment les cellules réagissent-elles face à un excès ou une carence en eau ? • Comment les cellules réalisent-elles leur équilibre en eau et en substances dissoutes (solutés) ?

Observation de cellules végétales soumises à un excès ou une carence en eau

iti

Sur une écaille de bulbe d’oignon rouge, on prélève un morceau d’épiderme que l’on place dans un liquide de montage hypertonique* (saccharose 103 g/L), c’est-àdire plus concentré en substances dissoutes que le contenu cellulaire. 1. Monter ensuite ce fragment d’épiderme d’oignon entre lame et lamelle dans une goutte d’eau puis observer immédiatement au microscope. Les cellules ont subi une plasmolyse : leur vacuole est rétractée et n’occupe pas tout l’espace délimité par la paroi cellulosique. 2. Le volume de la vacuole augmente rapidement et la coloration de son contenu devient plus claire. 3. L’augmentation du volume vacuolaire finit par plaquer le cytoplasme contre la paroi cellulaire : la cellule est devenue turgescente.

Protocole expérimental

× 450

Doc.1 De la plasmolyse à la turgescence. Normalement, les cellules d’une plante sont turgescentes et cette turgescence donne aux plantes herbacées leur port dressé. Si, en revanche, ces cellules perdent beaucoup d’eau, elles se plasmolysent et deviennent flasques : la plante se fane.

132

Doc.2 La turgescence, état physiologique normal des végétaux.

Solution hypertonique*

Solution isotonique

Solution hypotonique*

(la cellule perd de l’eau par diffusion)

(l’eau ne diffuse pas)

(la cellule prend de l’eau par diffusion)

Cellule à cytoplasme rétracté

Cellule flasque

Cellule turgescente

Doc.3 L’équilibre hydrique (en eau) des cellules végétales.

Les diffusions de solutés et d’eau équilibrent les concentrations Morceau de sucre Dissolution Diffusion

Solvant

Doc.4 Dissolution et diffusion : deux processus

Soluté Solution homogène

Lorsque deux solutions de concentrations* différentes en solutés différents sont séparées par une membrane laissant passer ces solutés, on observe que chacun des solutés équilibre sa propre concentration par diffusion au travers de la membrane. Si les concentrations totales en solutés des deux solutions finales sont identiques, on obtient un équilibre général comme représenté sur le document.

physico-chimiques universels. Solution hypertonique* hypotonique*

Solution hypotonique* hypertonique*

Molécule de saccharose

Membrane perméable aux solutés

iti

Membrane imperméable au solutés

Doc.6 Par osmose, l’eau passe du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré.

Lexique

• Concentration : rapport entre la quantité de molécules de soluté dissoutes et le volume du solvant. • Hypertonique (milieu) : solution globalement plus concentrée en substances dissoutes que le liquide de référence (ici, le liquide vacuolaire ou le cytosol). (Inverse : hypotonique)

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 à 3 : En vous référant aux observations et explications, pouvez-vous donner une définition de la plasmolyse ?

2 Doc. 3 : Dans un milieu très dilué, les cellules animales éclatent, mais pas les cellules

végétales. Quelle est l’origine de cette différence ?

3 Doc. 1 à 3 : Expliquez pourquoi la survie de la cellule dépend de l’équilibre entre les entrées et les sorties d’eau.

4 Doc. 4 à 6 : Que se passerait-il dans le cas d’une membrane séparant deux solutions de concentrations différentes en solutés X et Y, et qui serait perméable à X mais pas à Y ? Faites un schéma de cette expérience sur base de ceux du document 4.

133

H2O

Lorsque deux solutions d’un même soluté, mais de concentrations différentes sont séparées par une membrane ne laissant pas passer ce soluté, on observe que l’eau diffuse de la solution la moins concentrée en soluté (hypotonique) vers la solution la plus concentrée (hypertonique). Le transport passif de l’eau ou osmose, réduit la différence entre les concentrations des deux solutions.

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

Solution hypertonique*

Solution hypotonique*

Doc.4 Les solutés diffusent du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré.

Activités pratiques

Les cellules végétales respirent, elles aussi

Nous avons vu au chapitre 3 que les cellules animales utilisent les molécules énergétiques qui leur sont fournies afin de les dégrader et d’en récupérer l’énergie. Mais toutes les cellules, qu’elles soient hétérotrophes ou autotrophes, animales ou végétales, chlorophylliennes ou non, ont besoin d’énergie pour accomplir leurs fonctions vitales. Toutes réalisent donc la respiration cellulaire. Dans le cas des cellules végétales, les nutriments oxydés lors de la respiration sont ceux qui sont produits par la photosynthèse.

Une mise en évidence expérimentale de la respiration des cellules végétales

• Monter entre lame et lamelle une jeune feuille d’élodée selon le protocole décrit page 127. Éclairer fortement la préparation et observer dix minutes plus tard.

• Les chloroplastes, d’abord immobiles, tournent bientôt en un mouvement continu. Le déplacement peut atteindre quelques µm par seconde (de 1 à 50 µm/s). Le mouvement paraît donc très rapide à l’observation microscopique.

× 600

Protocole expérimental

Interprétation

Les chloroplastes ne sont pas mobiles par eux-mêmes ; ils sont entraînés par des « courants cytoplasmiques » appelés mouvements de cyclose. La cyclose, comme tous les mouvements intracellulaires est ralentie par une privation de dioxygène ou par des molécules qui empêchent la respiration cellulaire. Elle est par contre accélérée lorsque l’on stimule la respiration cellulaire.

iti

Doc.1 Une manifestation évidente d’une dépense d’énergie cellulaire : le mouvement.

Les mit ochond La cellu ries le est c ompart chlorop ime las photosy tes sont ainsi le ntée. Les nthèse. siège de Da lules, la la respirat ns toutes les ion cell c e tue dan lulair sd de « gélu e petits organit e s’effece le », les mitocho s en forme ndries.

Protocole expérimental CO2

134

Une suspension de Dunaliella, algue unicellulaire chlorophyllienne, est disposée dans une microcuve permettant d’enregistrer les échanges gazeux (voir page 107). D’abord maintenues à l’obscurité (t0 à t1), les algues sont ensuite soumises à des éclairements d’intensités différentes : très faible intensité de t1 à t2, puis intensité plus forte à partir de t2.

Doc.2 Les échanges gazeux lors de la respiration et de la photosynthèse des cellules chlorophylliennes.

Les transformations d’énergie dans les cellules Soleil

ceLLuLe autotrophe (ex. cellule végétale chlorophyllienne)

énergie de la lumière dioxygène

« aliments » photosynthèse de matière organique

respiration cellulaire

eau sels minéraux dioxyde de carbone

noyau

énergie nécessaire à la vie de la cellule

synthèse des constituants de la cellule

ceLLuLe hétérotrophe (ex. cellule végétale non chlorophyllienne, cellule animale, champignon)

dioxyde de carbone mitochondrie

chloroplaste

dioxygène

dioxyde de carbone

information génétique (ADN) qui gouverne l’activité cellulaire (métabolisme, division cellulaire...)

7 noyau

aliments indispensables

iti

eau sels minéraux nutriments organiques

respiration cellulaire

synthèse des constituants organiques de la cellule

mitochondrie énergie nécessaire à la vie de la cellule

Doc.3 Une comparaison de l’autotrophie et de l’hétérotrophie.

Pistes d’exploitation

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

mitochondrie

1 Doc. 1 : Quelles informations permettent de penser que ce phénomène nécessite une dépense d’énergie de la part de la cellule, et donc une respiration cellulaire ?

2 Doc. 2 : En utilisant vos connaissances sur la respiration cellulaire et la photosynthèse, expliquez les échanges gazeux observés lors de cette expérience.

3 Doc. 3 : Résumez en quelques phrases les informations illustrées par ces deux dessins.

135

Activités pratiques

Les stomates, orifices d’entrée du CO2 et de sortie de l’O2

Si les feuilles prennent le CO2 dans l’atmosphère et y rejettent de l’O2, il est raisonnable de penser qu’elles possèdent des structures anatomiques qui le leur permettent. La face supérieure des feuilles, généralement soumise aux variations climatiques est très souvent recouverte d’une cuticule étanche laissant difficilement passer l’air. Il n’en est pas de même pour la face inférieure. • Quelles sont les structures anatomiques de la feuille permettant l’entrée de CO2 ? • Peut-on relier leur fonctionnement avec l’intégration du CO2 dans les substances organiques ?

Une observation de stomates

Protocole expérimental

iti

× 1 200

1. Sélectionner un lobe bien développé d’une feuille de polypode (fougère). 2. Prendre ce lobe entre le pouce et l’index, orienter la face inférieure du lobe vers le haut tout en le courbant, puis, à l’aide d’une paire de pinces, arracher un petit lambeau d’épiderme en partant de la nervure.

× 1 100

3. Placer le lambeau entre lame et lamelle dans une goutte d’eau. 4. Observer au faible (a) puis au fort grossissement (b) du microscope.

stomate vu de face

stomate vu en coupe

1 1 2

5 3 2

136

× 40

4 2

1. cellules épidermiques (protection contre la dessication) 2. cellules stomatiques 3. ostiole 4. chambre sous-stomatique 5. cellules photosynthétiques

Doc.1 Des observations de stomates au microscope optique (a et b) et au microscope électronique à balayage (c et d, fausses couleurs).

Pour mieux comprendre le rôle des stomates

A. Nombre moyen de stomates par millimètre carré de feuille Épiderme inférieur

33 52 85 40 0 0 0

14 68 156 281 165 300 450

B. Quelques remarques

• Lorsque les feuilles sont disposées horizontalement, les deux faces de la feuille sont inégalement soumises aux conditions climatiques ; les stomates sont en général surtout présents sur la face inférieure.

• Lorsque les deux faces d’une feuille sont également soumises aux conditions climatiques (cas des feuilles dressées, comme l’herbe ou le maïs par exemple), les stomates existent sur les deux faces.

Doc.2 La répartition des stomates à la surface des feuilles.

iti

CO2 intégré dans les matières organiques (en mg . dm–2 . h–1)

20 10 0

c × 800

ch = chambre ; os = ostiole.

• Chez les feuilles flottantes des végétaux aquatiques, les stomates sont localisés sur la face supérieure. Chez les feuilles totalement immergées, il n’y a pas de stomates.

Doc.3 Les stomates d’une feuille de soja : a - coupe ultrafine ;

b et c - vues de face (nuit, jour). 80

Blé Maïs Tournesol Pois Houx Pommier Chêne

Épiderme supérieur

ouverture des stomates (en % de l’ouverture maximale)

60 40 20

heures de la journée 18

heures de la journée

Doc.4 Une comparaison intéressante (d’après Chapmann et Stalfelt).

Pistes d’exploitation

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

Espèce

cellules de revêtement

1 Doc. 1 et 3 : Quel est le rôle des cellules stomatiques ? 2 Doc. 2 : Expliquez pourquoi les stomates ne sont pas toujours disposés de la même façon chez les végétaux. 3 Doc. 4 : L’analyse des données expérimentales montre-t-elle une relation entre l’ouverture des stomates et l’intégration du CO2 dans les substances organiques ? Proposez une hypothèse expliquant le décalage constaté entre les deux phénomènes.

137

Synthèse Les cellules, structures de base des végétaux Les végétaux, comme tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Celles-ci sont les unités de base des organismes, les structures anatomiques sur lesquelles reposent leurs diverses fonctions.

- les cellules chlorophylliennes des végétaux possèdent des organites spécialisés, sièges de la photosynthèse : les chloroplastes.

2 La cellule est compartimentée 1. La photosynthèse

La photosynthèse, limitée aux parties vertes de la plante, s’effectue au niveau d’un petit organite arrondi : le chloroplaste. Celui-ci est riche en chlorophylle, le pigment photosynthétique, ce qui lui donne une couleur verte bien visible en microscopie optique. Lorsque les cellules chlorophylliennes sont bien éclairées depuis quelques heures, on peut mettre en évidence dans leurs chloroplastes la présence d’amidon, une grosse molécule glucidique de stockage issue de la photosynthèse. La présence de chloroplastes est donc la particularité structurale et fonctionnelle des cellules chlorophylliennes et est directement associée à leur faculté d’autotrophie. Elle distingue celles-ci des cellules dépourvues de chlorophylle, qui sont dès lors hétérotrophes.

- la membrane plasmique qui entoure toute la cellule et définit un compartiment intracellulaire où a lieu le métabolisme (ensemble des transformations de matières et d’énergie réalisées par la cellule) ;

• L’observation au microscope optique de cellules végétales montre que, en dépit d’une certaine diversité, ces cellules sont toutes construites selon un même plan d’organisation. On y distingue :

La cellule végétale, comme toutes les cellules de tous les organismes, présente des régions distinctes dans lesquelles s’effectuent ses différentes fonctions.

1 Le plan d’organisation des cellules végétales

- le cytoplasme, constitué d’une solution aqueuse, le cytosol, contenant différents compartiments fonctionnels, les organites, impliqués dans l’activité métabolique ;

- le noyau qui contient, sous forme d’ADN, le programme génétique indispensable au fonctionnement de la cellule.

• Les cellules végétales présentent en outre quelques caractéristiques remarquables :

2. La diffusion et l’osmose

- le cytoplasme des cellules végétales adulte contient généralement une grande vacuole centrale occupant la plus grande partie du volume cellulaire. Elle contient un liquide riche en eau dans lequel de nombreuses substances sont dissoutes (ions, minéraux, acides aminés, saccharose…). Les cellules jeunes contiennent plusieurs petites vacuoles qui fusionnent progressivement lorsque la cellule grandit.

• La régulation de l’équilibre hydrique (en eau) de la cellule fait appel à l’osmose, c’est-à-dire au processus de diffusion passive de l’eau. Lorsqu’une membrane imperméable à certains solutés (mais perméable à l’eau) sépare deux milieux de concentrations différentes en ce soluté, l’eau quitte par osmose le milieu le moins concentré (hypotonique) pour « diluer » le milieu le plus concentré (hypertonique).

iti

- la membrane plasmique est doublée extérieurement d’une paroi cellulosique rigide qui constitue une sorte de « squelette » externe. La cellulose est formée par la succession de nombreuses molécules de glucose assemblées en microfibrilles et fibrilles. Cette paroi cellulosique est à la base de la formation des vaisseaux transporteurs de la sève minérale et de la sève élaborée. Elle s’épaissit fortement pour former les fibres du bois. De ce fait, la cellulose est la molécule organique la plus abondante sur Terre. Elle ne constitue cependant pas une réserve énergétique comme l’amidon car elle n’est pas réutilisable par la plante ;

138

• Les molécules mises en solution – les solutés – tendent naturellement à équilibrer leurs concentrations de manière à occuper le milieu de manière homogène. Il en va de même lorsqu’une membrane sépare deux solutions. Ainsi, les solutés présents dans les milieux intracellulaires et extracellulaires ont naturellement tendance à traverser la membrane plasmique en allant du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré. Ce type de transport au travers de la membrane ne requiert aucune énergie et porte le nom de diffusion ou transport passif.

3 Le bilan des échanges gazeux • Dans une plante, les cellules n’ont pas toutes les mêmes fonctions. Certaines servent de lieu de stockage des réserves nutritives, d’autres appartiennent aux organes reproducteurs... Si toutes réalisent en permanence la respiration cellulaire, certaines sont chlorophylliennes et réalisent en plus, mais uniquement en présence de lumière, la photosynthèse. Lorsque l’on enregistre les échanges gazeux d’une cellule végétale chlorophylienne mise à la lumière, on globalise en réalité les entrées de CO2 et les sorties d’O2 dues à la photosynthèse avec les sorties de CO2 et les entrées d’O2 dues à la respiration cellulaire.

iti

La respiration des cellules végétales est identique à celle des cellules animales : le glucose C6H12O6 subit une dégradation totale grâce au dioxygène O2 avec pour résultat une libération d’énergie, d’eau H2O et de dioxyde de carbone CO2 (voir Chap. 3).

• Qu’elles accomplissent ou non la photosynthèse, toutes les cellules doivent trouver dans les matières organiques l’énergie indispensable à leurs activités métaboliques. Ceci s’accomplit en général grâce à la respiration cellulaire (ou parfois la fermentation, voir Chap. 3). La respiration cellulaire s’effectue dans des compartiments spécialisés de la cellule appelés mitochondries. Ces organites cytoplasmiques de faible dimension (un millième de millimètre environ, soit beaucoup plus petits que les chloroplastes) ont généralement une forme de « gélule ». Présents dans toutes les cellules (végétales, animales, …), leur nombre varie d’une douzaine à plusieurs centaines. Les mitochondries sont difficiles à observer en microscopie optique à cause de leur taille et du faible contraste avec le cytosol.

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

3. La respiration cellulaire

• La respiration cellulaire et la photosynthèse nécessitent des échanges gazeux permanents entre les cellules et le milieu extérieur. Les feuilles en sont les organes privilégiés. L’épiderme inférieur de la feuille présente de multiples stomates, « orifices » de communication entre l’atmosphère interne et l’extérieur. Un stomate est constitué par une ouverture, l’ostiole, bordée par deux cellules spécialisées contenant des chloroplastes et se faisant face par leurs bords plus ou moins concaves. Sous ces cellules se trouve une très vaste lacune : la chambre sous-stomatique. Ainsi, à travers l’ostiole, l’atmosphère interne de la feuille communique avec l’extérieur et une circulation de gaz s’avère possible : le dioxyde de carbone pénètre dans les lacunes internes de la feuille et est acheminé aux cellules chlorophylliennes qui réalisent la photosynthèse. Parallèlement, le dioxygène produit lors de la photosynthèse peut suivre le chemin inverse et ressort de la feuille par les stomates. Le sens des échanges est inversé pour la respiration cellulaire. Au cours de la journée, l’ouverture des stomates varie : souvent nulle la nuit et plus ou moins importante de jour pour de nombreuses plantes. Lorsque la plante perd ses feuilles en hiver, ou la nuit alors que les stomates se ferment, la photosynthèse s’arrête, mais pas la respiration cellulaire. Le glucose est acheminé vers toutes les cellules depuis les réserves de la plante et les échanges gazeux s’effectuent au travers de structures autres que les feuilles comme les tiges, les racines ou encore l’écorce des arbres par exemple.

- En milieu externe hypotonique, moins concentré que l’intérieur, l’eau sort par contre de la vacuole et de la cellule végétale qui subit alors une plasmolyse. Une plasmolyse prolongée cause la mort de la cellule. Des processus analogues d’entrée et de sortie d’eau s’effectuent également dans les cellules animales, mais, en l’absence de paroi cellulosiques pour les maintenir dans des limites acceptables, ces mouvements d’eau doivent être parfaitement régulés afin d’éviter une plasmolyse ou un éclatement fatals.

- En milieu externe hypertonique, plus concentré que l’intérieur de la vacuole, l’eau rentre par osmose et s’accumule dans la vacuole, ce qui la fait gonfler et repousse le cytoplasme contre la paroi cellulosique. La cellule devient turgescente, mais sa paroi rigide l’empêche d’éclater. Dans les cellules végétales jeunes, ce phénomène permet de fusionner les petites vacuoles. La pression de turgescence qui s’exerce alors sur toute la jeune paroi cellulosique, force celle-ci à s’étirer et permet la croissance cellulaire.

139

• Dans une cellule végétale, la vacuole centrale contient de l’eau et des molécules dissoutes.

L’essentiel • La cellule est l’unité structurale constitutive des végétaux, comme celle de tous les êtres vivants. • L’organisation générale des cellules végétales est constante : - une membrane plasmique entourant la cellule et définissant un compartiment intracellulaire ; - un cytoplasme intégrant différents organites impliqués dans les fonctions cellulaires ; - un noyau qui renferme le matériel génétique et gouverne l’activité cellulaire ; - une paroi cellulosique rigide doublant la membrane plasmique ;

- une grosse vacuole centrale contenant de l’eau et des substances dissoutes ; - un organite particulier, le chloroplaste, riche en chlorophylle et présent uniquement dans les cellules chlorophylliennes où il assure la photosynthèse ;

- un organite commun à toutes les cellules, végétales comme animales, la mitochondrie où s’effectue la respiration cellulaire.

• Les cellules végétales, comme toutes les cellules, effectuent en permanence la respiration cellulaire. Mises en présence de lumière, les cellules chlorophylliennes effectuent en outre la photosynthèse. Les échanges gazeux qui y sont liés s’effectuent essentiellement par les stomates, structures particulières de l’épiderme inférieur de la feuille mettant en relation l’atmosphère interne de la feuille et l’air ambiant.

iti

• Les substances dissoutes dans le cytosol et le liquide extracellulaire équilibrent leurs propres concentrations par diffusion du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré. L'osmose permet à l'eau de « diluer » un milieu trop concentré.

140

Schéma-bilan

Les cellules, structures de base des végétaux

L’organisation générale des cellules végétales chlorophylliennes 1

2 3

iti Lumière

obscurité

chloroplaste

CO2

photosynthèse de composés organiques

H2O

glucose

mitochondrie H2O énergie respiration

O2 CO2

H2O O2

respiration CO2

141

énergie lumineuse

Les cellules végétales chlorophylliennes effectuent la respiration cellulaire et la photosynthèse

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

1 – membrane plasmique. 2 – paroi cellulosique. 3 – cytoplasme. 4 – chloroplaste. 5 – mitochondrie. 6 – vacuole. 7 – noyau. 8 – autres organites.

Pour en savoir plus… A

Du bois à la pâte à papier

Les photographies de ces deux pages, prises à Saillat-sur-Vienne en France, proposent la visite d’une usine de production de papier qui produit annuellement 320 000 tonnes de pâte, 220 000 tonnes de papier impression, 95 000 000 de ramettes conditionnées sous 350 emballages différents. Cette usine utilise 1 350 000 t de bois par an : 70 % de feuillus (fibres courtes) et 30 % de résineux (fibres longues). Ces bois, collectés dans un rayon de 150 km autour du site, sont écorcés, lavés, débités en copeaux.

iti

Doc.1 Des rondins de bois aux copeaux.

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Doc.2 Des copeaux à la pâte à papier.

Pour séparer la cellulose de la lignine, les copeaux sont cuits sous haute pression et à forte température dans une liqueur basique appelée « Liqueur Blanche ». Cette cuisson se fait en continu, alternativement feuillus et résineux, dans un lessiveur de 63 m de hauteur. Ainsi séparées après cuisson, les fibres sont lavées et blanchies.

De la cellulose à la fabrication du papier De la pâte au papier

iti Doc.4 De la bobine aux ramettes.

En sortie de machine, la « bobine mère » est coupée en « bobines filles ». Ces dernières sont installées sur des coupeuses qui confectionnent des ramettes de 250, 500, 1 000 feuilles de format A4 ou A3. Ces ramettes, protégées par une macule hydrofuge thermoscellée sont mises en caisses et acheminées automatiquement dans le silo de stockage.

Doc.3 De la pâte à la bobine.

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

Les pâtes, résineux et feuillus, sont raffinées séparément puis mélangées en proportions définies selon la qualité du papier à fabriquer. Pour obtenir un papier apte à l’impression-écriture, il convient en outre d’ajouter des charges minérales à la pâte qui donnent à la feuille blancheur, épaisseur, opacité. La bobine visible sur la photographie a un diamètre de 2,5 m, pèse 14 tonnes, et correspond à une feuille de 34 km de longueur. Une bobine est produite toutes les 40 minutes.

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Exercices Je connais A. Définissez les mots ou expressions : membrane plasmique, organite, noyau, cytoplasme, chloroplaste, mitochondrie, paroi cellulosique, vacuole, stomate, diffusion, osmose.

d. La paroi cellulosique est une caractéristique des cellules végétales. e. Les échanges gazeux entre la cellule végétale et l’atmosphère ne se réalisent qu’à la lumière.

D. Exprimez des idées importantes…

a. ...du constituant chimique essentiel de la paroi des cellules végétales. b. ...du compartiment cellulaire siège de la photosynthèse. c. ...de l’état d’une cellule placée en milieu hypertonique. d. ...de la solution aqueuse entourée par la membrane plasmique.

...en rédigeant une ou deux phrases utilisant chaque groupe de mot ou expression : a. chloroplastes, organites, photosynthèse, chlorophylle. b. paroi cellulosique, turgescente, cytoplasme, vacuole centrale, eau. c. solutés, plus concentré, plus dilué, diffusion. d. glucides, amidon, chloroplaste, mise en réserve temporaire.

B. Donnez le nom…

E. Question à choix multiple

C. Vrai ou faux ?

La série d’affirmations peut comporter une ou plusieurs réponses exactes. Repérez les affirmations correctes, corrigez les autres : Le dioxyde de carbone de l’air : a. pénètre dans les feuilles par les stomates. b. est absorbé aussi bien de jour que de nuit. c. se retrouve finalement dans les chloroplastes. d. se retrouve dans la matière organique élaborée lors de la photosynthèse.

iti

Parmi les affirmations suivantes, recopiez celles qui sont exactes et corrigez celles qui sont erronées. a. La présence d’un noyau et de chloroplastes est une caractéristique propre aux cellules végétales. b. Le dioxyde de carbone pénètre dans les feuilles par les stomates et circule par les lacunes jusqu’aux cellules chlorophylliennes. c. L’eau diffuse par osmose de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée.

J’applique et je transfère

Interpréter une micrographie

La micrographie ci-contre montre une cellule végétale observée en microscopie optique après coloration à l’eau iodée.

2 4

1 3

× 1000

1- Déterminez la dimension approximative de cette cellule végétale. 2- Attribuez leur nom à chacune des structures cellulaires identifiées par des numéros. 3- Quelles structures cellulaires majeures des cellules végétales ne sont pas observables sur cette micrographie et pourquoi ?

144

Identifier l’origine du dioxygène dans une culture de chlorelles concentration en dioxygène du milieu (en unités arbitraires)

Des algues vertes unicellulaires chlorophylliennes, les chlorelles, sont cultivées dans un milieu nutritif constitué d’eau « ordinaire » (H2O) et de substances minérales. On injecte dans ce milieu un mélange gazeux fait en proportions égales de dioxygène ordinaire O 2 et de dioxygène marqué O 2. Au début de l’expérience (temps = 0 du graphique), l’apport de ce mélange gazeux est totalement stoppé. On suit alors l’évolution des teneurs du milieu en O2 et en O2 dans diverses conditions d’éclairement.

obscurité

temps (en min)

L’équilibre hydrique des cellules végétales

O2 lumière

•-Expliquez l’évolution des teneurs du milieu en O2 et O2

au cours de cette expérience en faisant clairement référence à la respiration cellulaire et à la photosynthèse.

iti

L e s c e l l u l e s , s t r u c t u r e s d e b a s e Chapitre des végétaux

Deux morceaux d’épidermes ont été prélevés sur une écaille de bulbe d’oignon rouge. L’un des deux fragments a été monté dans de l’eau entre lame et lamelle. L’autre a été plongé dans un liquide de montage hypertonique (du saccharose à 103 g/L). Les deux montages sont observés en microscopie optique et les micrographies présentées ci-dessous.

b × 900

× 900

1- Réalisez un schéma montrant une cellule végétale observée sur chacun des montages et annotez-les. 2- Restituez à chaque micrographie le mode de montage utilisé en justifiant votre choix. 3- Donnez un nom aux deux états dans lesquels se trouvent les cellules observées.

145

Comprendre la turgescence cellulaire à l’aide d’un modèle physique

tats obtenus.

2- À quels éléments de la cellule végétale correspondent la membrane semi-perméable et les tubes à entonnoir ?

3- Que se serait-il passé si l’on avait placé le tube à

1 - eau distillée 2 - solution de sulfate de cuivre

entonnoir B dans un cristallisoir rempli d’une solution de sulfate de cuivre ?

au temps T 1

1- Que constatez-vous entre T0 et T1 ? Expliquez les résul-

début de l’expérience (T0)

L’extrémité inférieure d’un tube à entonnoir de verre est fermée par une membrane artificielle ne laissant passer que les seules molécules d’eau. Le tube est rempli d’une solution colorée de sulfate de cuivre. Au temps T0, ce récipient (A) est plongé dans un cristallisoir plein d’eau pure. Parallèlement, le même montage est réalisé mais avec de l’eau pure uniquement dans le tube à entonnoir (B) et dans le cristallisoir. On laisse les récipients sans intervenir et au bout de plusieurs minutes, au temps T1, on effectue les observations représentées sur le schéma.

Les fonctions cellulaires sont liées à des compartiments cellulaires Dans une microcuve permettant de mesurer les échanges gazeux (voir page 107), on verse une solution contenant des nutriments organiques et on ajoute : - soit la fraction cytoplasmique sans mitochondrie (expérience 1) ; - soit la fraction contenant les mitochondries (expérience 2). On mesure ensuite l’évolution de la teneur en dioxygène du milieu dans chacun des deux cas.

iti

Pour obtenir l’énergie dont elles ont besoin, les cellules dégradent des nutriments organiques au cours des réactions chimiques complexes qui constituent la respiration cellulaire. Peut-on associer ce métabolisme à un compartiment cellulaire précis ? L’expérience qui suit apporte des éléments de réponse. Dans un laboratoire de recherche, on sait briser des cellules sans abîmer les différents organites. On centrifuge ensuite à grande vitesse le mélange obtenu pour séparer les mitochondries du reste des constituants cellulaires.

teneur en dioxygène du milieu (en mg/L)

expérience 1 10

expérience 2

1- Comparez les résultats de ces deux mesures. Qu’en déduisez-vous ?

2- Quelle explication proposez-vous ? Précisez quelle

temps (min) 0

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fonction cellulaire est associée aux mitochondries. 3- Pourquoi dit-on qu’une cellule est constituée de « compartiments spécialisés » ? Donnez des exemples.