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SNC2D/SNC2P Fonctions et systèmes animaux et végétaux/Fonctions et systèmes animaux Démonstration par l’enseignante ou l’enseignant/Activité par les élèves – Régulation de la taille des cellules Sujets Durée cycle cellulaire importance de la division cellulaire préparation : 20 min (1 jour avant l’utilisation) démonstration : de 15 à 20 min activité : de 30 à 40 min Attentes particulières SNC2D A1.1 Repérer un problème de nature scientifique, poser des questions s’y rattachant et formuler une hypothèse. A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. B1.1 Décrire le cycle cellulaire, incluant les étapes de la mitose animale et végétale, et reconnaître l’importance de la division et de la différenciation cellulaires pour la croissance des organismes et la réparation des tissus. B1.2 Décrire la structure et la fonction spécialisée de cellules et de tissus animaux et végétaux (p. ex., tissu musculaire, tissu osseux, tissu épithélial). SNC2P A1.1 Repérer un problème de nature scientifique, poser des questions s’y rattachant et formuler une hypothèse. A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. B1.1 Décrire le cycle cellulaire et expliquer son importance pour la croissance et la réparation des tissus. Introduction Les cellules ont besoin d’un apport constant en glucose et en oxygène pour produire de l’énergie. Les équations suivantes représentent le processus de respiration cellulaire : glucose + oxygène → eau + dioxyde de carbone + énergie C6H12O6(aq) + 6 O2(g) → 6 H2O(l) + 6 CO2(g) + énergie Les mitochondries d’une cellule sont le site de la respiration cellulaire, processus à l’issue duquel de grandes quantités de dioxyde de carbone doivent être expulsées hors de la cellule. Toutes les substances participant à la réaction sont importées ou exportées à travers la membrane cellulaire par diffusion. Les cellules ne sont pas toutes de la même taille, certaines mesurant 8 µm de diamètre (les globules rouges par exemple) et d’autres, plus de 1 m de long (comme une cellule nerveuse, ou neurone). La diffusion se produit rapidement et sur une courte distance. Par exemple, la diffusion d’une molécule d’oxygène peut se produire du centre d’une petite cellule vers l’extérieur, à travers le cytoplasme et la membrane cellulaire, en moins d’une seconde. Dans une cellule plus grande cependant, la diffusion de la même molécule à partir du centre vers l’extérieur serait plus longue. Comme la rapidité du mouvement d’importation et d’exportation des substances chimiques est essentielle au fonctionnement efficace des cellules, le mécanisme de diffusion régule la croissance cellulaire. Dans cette démonstration, les élèves font tremper des « cellules » de gélose contenant de la phénolphtaléine (indicateur coloré) dans une solution d’hydroxyde de sodium, NaOH(aq). Les élèves observent l’effet de la surface et du volume de la cellule sur l’étendue de la diffusion de la solution d’hydroxyde de sodium à travers la « cellule ». Consignes de sécurité Fournissez les fiches signalétiques de tous les produits chimiques utilisés. La solution d’hydroxyde de sodium est corrosive et irritante pour la peau et les yeux. Évitez tout contact. Le port de lunettes de protection, d’un tablier ou sarrau de laboratoire et de gants est recommandé en tout temps durant la manipulation. En cas de contact, vous devez immédiatement vous laver les mains et vous rincer les yeux. La solution de phénolphtaléine est inflammable. Gardez-la éloignée des sources de chaleur et des flammes nues. Matériel lunettes anti-éclaboussures sarrau ou tablier de laboratoire gants de protection 1 sachet de gélatine sans saveur ou 7,5 g d’agar en flocons ou en poudre 250 ml d’eau flacon compte-gouttes contenant une solution de phénolphtaléine à 1 % 350 à 750 ml de solution d’hydroxyde de sodium, NaOH(aq) à 0,1 mol/L essuie-tout bécher de 250 ml agitateur ou cuillère contenant d’une profondeur d’au moins 8 cm (p. ex., plat à congélation en plastique) agitateur couteau en plastique règle bécher de 250 ml cuillère en plastique boîte de Pétri chronomètre Système d’identification des matières dangereuses (0-minime, 1-léger, 2-modéré, 3-sérieux, 4-sévère) phénolphtaléine à 1 % hydroxyde de sodium à (solution indicatrice de pH) 0,1 mol/L SIMDUT (0 à 4) SIMDUT (0 à 4) Santé Risque de feu Réactivité 1 3 0 Santé Risque de feu Réactivité 1 0 0 Marche à suivre Assurez-vous que tous les participants portent l’EPP approprié : lunettes anti-éclaboussures, sarrau ou tablier de laboratoire et gants de protection. Faites les préparatifs suivants au moins une journée avant la démonstration. Mélangez 1 sachet de gélatine sans saveur avec 250 ml d’eau (une préparation d’agar à 3 % convient aussi; 3 g d’agar pour 100 ml d’eau), puis ajoutez 10 gouttes de phénolphtaléine à 1 %. 2. Versez la préparation dans le contenant (p. ex., un plat à congélation en plastique). Il faut obtenir une couche de liquide d’au moins 5 cm. Réfrigérez pendant la nuit. Formez des équipes de 2 à 4 élèves et assurez-vous que tous portent l’EPP approprié : lunettes anti-éclaboussures, sarrau ou tablier de laboratoire et gants de protection. 3. Prédire / Expliquer Demandez à chaque équipe de prédire ce qui se produira lorsqu’on mettra des cubes d’agar ou de gélatine de tailles différentes dans la solution d’hydroxyde de sodium. Au besoin, revenez sur le changement de couleur que provoque l’ajout de phénolphtaléine à une solution basique. Chaque équipe doit aussi tenter de justifier ses prédictions et d’expliquer les écarts entre les prédictions pour les blocs de tailles différentes. 4. Remettez à chaque équipe un morceau d’agar, une boîte de Pétri, une règle, un agitateur et un couteau en plastique. Dites aux élèves d’utiliser le couteau en plastique pour couper un cube de l’une des tailles suivantes, en veillant à ce qu’il y ait une variété de tailles dans la classe. (L’enseignante ou l’enseignant peut aussi couper les cubes au préalable et les distribuer pour gagner du temps.) 0,5 cm sur 0,5 cm sur 0,5 cm 1 cm sur 1 cm sur 1 cm 2 cm sur 2 cm sur 2 cm 3 cm sur 3 cm sur 3 cm 5. Dites aux élèves de mettre leur cube d’agar dans un bécher de 250 ml et d’y verser la solution de NaOH jusqu’à ce que le cube soit submergé. Partez le chronomètre. 6. À l’aide de l’agitateur, les élèves doivent tourner le cube délicatement, sans l’égratigner, toutes les 2-3 minutes pendant une dizaine de minutes, en s’assurant que tous les côtés entrent en contact avec la solution. 7. Pendant qu’ils attendent, les élèves doivent calculer et noter les éléments d’information suivants : a. la surface (S) du cube en cm2 b. le volume (V) du cube en cm3 c. le rapport entre la surface et le volume (S/V) 8. Après 10 minutes, les élèves doivent retirer le cube à l’aide d’une cuillère en plastique, le sécher avec un essuie-tout et le placer sur une boîte de Pétri. 9. Avec le couteau en plastique, les élèves doivent couper chaque cube en deux. 10. Observer Les élèves doivent mesurer et noter la profondeur de la surface colorée. 11. Ils doivent ensuite mesurer (au mm près) la distance sur la surface non colorée et déterminer le volume (en cm3) de la partie non colorée du cube. Ils peuvent ensuite calculer le pourcentage du volume du cube affecté par la couleur ou le pourcentage de diffusion de la couleur à l’aide de la formule suivante : ((volume initial - volume final non coloré)/volume initial) × 100 % 12. Un membre de chaque équipe peut inscrire les données de son équipe sur un tableau d’observation général placé à l’avant de la classe afin que les équipes puissent observer si des tendances ressortent des données. 13. Expliquer 1. Invitez les équipes à revoir leurs justifications, le cas échéant. Nettoyage L’agar ou la gélatine peut être jeté comme déchet solide à la poubelle. Ajoutez du vinaigre pour neutraliser l’hydroxyde de sodium avant de le jeter. Utilisez les méthodes d’élimination conformes au protocole du conseil scolaire et aux règles de votre municipalité. Qu’est-ce qui se produit? Chaque cube qui entre en contact avec la solution d’hydroxyde de sodium, NaOH (aq) prend une teinte rosée. La couleur rose apparaîtra d’abord à la surface, puis se diffusera graduellement vers le centre de chaque cube. Le taux de diffusion de la couleur sera inversement proportionnel à la taille du cube (c’est-à-dire, le cube le plus petit aura le plus grand taux de diffusion). Comment ça fonctionne? Plus le volume des cubes augmente, plus le rapport entre la surface et le volume augmente. Si les cubes sont exposés à la même concentration d’hydroxyde de sodium pendant la même durée, le taux de diffusion de la couleur diminue à mesure que la taille de la cellule augmente. Ce modèle montre qu’au fil de la croissance de la cellule, la diffusion des substances requises et l’expulsion des déchets prennent plus de temps. La cellule devient alors moins efficace et ne peut soutenir la vie au-delà d’une certaine taille, d’où la nécessité de la division cellulaire afin de réduire la distance entre le centre de la cellule et le liquide extracellulaire. Suggestions/conseils pour l’enseignante ou l’enseignant Voici des questions d’approfondissement à poser aux élèves : a. Quel est l’effet du rapport surface/volume sur le taux de diffusion de la couleur? b. Pourquoi la vitesse de croissance diminue-t-elle à mesure que la cellule grandit? c. En quoi la division cellulaire affecte-t-elle la capacité de la cellule d’absorber les substances nécessaires à sa croissance et à sa régénération? d. Quelles erreurs peuvent se produire dans la conception de cette démonstration? e. Quelle expérience permettrait d’approfondir encore plus la diffusion cellulaire? Prochaines étapes Cette démonstration peut servir à présenter une expérience durant laquelle les élèves étudient un facteur pouvant affecter la vitesse de diffusion dans une cellule. Ressources supplémentaires 1. 2. 3. Information sur la phénolphtaléine, solution indicatrice de pH : http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/indicators.html (en anglais seulement) Poursuite de l’expérience : comparaison de la taille des molécules avec les vitesses de diffusion dans une cellule : http://www.umassk12.net/nano/materials/web2012/jen/gel.html (en anglais seulement) Autre expérience : utilisation de modèles en carton à la place du agar pour étudier le lien entre la surface et le volume d’une cellule : http://www.biologyjunction.com/cell_size.htm (en anglais seulement)
