La respiration: des échanges gazeux

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1 ACTIVITÉ 1 La respiration: des échanges gazeux Les objectifs visés Le but de cette première activité est de caractériser la respiration par l existence d échanges gazeux entre l organisme et son milieu de vie (air ou eau). Le caractère universel de la respiration chez les animaux et les végétaux permet donc de compléter la liste des critères inventoriés en classe de 6 e définissant le vivant. Cette connaissance est construite à partir d observations et d activités expérimentales au cours desquelles l élève est amené à s interroger sur le sens des investigations menées, sur la validité des résultats et leur généralisation. L acquisition de notions de base sur la respiration chez les êtres vivants sera un support pour l étude de la 2 e partie du programme : «Fonctionnement de l organisme et besoin en énergie.» Connaissances construites Chez les végétaux comme chez les animaux, la respiration consiste à absorber du dioxygène et à rejeter du dioxyde de carbone. 6 CHAPITRE 1

2 Capacités et compétences développées Reconnaître qu un être vivant respire par l existence de l absorption de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone dans le milieu (documents e à h). (Ra/Re) Mettre en évidence l absorption de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone par un être vivant (documents e à h). (Ra/Re) Réponses aux questions posées 1 Milieu(x) de vie La carpe La demoiselle L iris d eau Le rat musqué eau (aquatique) air (aérien) aérien aérien, aquatique Milieu(x) de respiration eau air air air Les teneurs en dioxygène et en dioxyde de carbone sont mesurées au cours de l expérience. Le dispositif sans poisson permet de s assurer que les variations de la teneur en dioxygène et en dioxyde de carbone s expliquent uniquement par la présence du poisson. Au cours de l expérience, la teneur en dioxygène diminue dans le dispositif contenant le poisson rouge ; elle reste constante dans le dispositif sans poisson. Le trouble de l eau de chaux dans le dispositif contenant le poisson rouge s explique par la présence de dioxyde de carbone dans l eau. Le poisson absorbe du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone dans l eau. Chez les végétaux comme les animaux, la respiration consiste à absorber du dioxygène et à rejeter du dioxyde de carbone. Matériel et mise en œuvre Matériel ExAO : console VTT (Jeulin) ou Orphy portable (Pierron, Micrelec), sonde oxymètre air/eau, enceinte respiration animale avec bouchons et Logiciel Compliss (Jeulin) ou Visuel Orphy (Pierron, Micrelec). Verrerie de laboratoire : tubes à essai. Réactif du dioxyde de carbone : l eau de chaux. On peut compléter l étude des échanges gazeux respiratoires avec l exemple d un animal aérien ou d un végétal en utilisant le matériel précédent : la larve de Ténébrion (Tenebrio molitor), appelée communément ver de farine, est de petite taille, peu coûteuse et facile à se procurer. On peut en trouver dans les magasins de pêche (sauf en hiver). Son milieu d élevage est peu exigeant : mélange de farine complète et de levure de boulanger en granules ; utiliser un récipient en verre avec une fermeture et choisir un endroit sombre et tranquille ; pour l étude des échanges gazeux d origine respiratoire, il convient de choisir des organes végétaux non photosynthétiques, tels que l endive ou la carotte. Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. CHAPITRE 1 7

3 ACTIVITÉ 2 Des organes pour respirer dans l eau Les objectifs visés Cette activité est motivée par la recherche d une explication à l occupation du milieu aquatique par les animaux. Des adaptations respiratoires au milieu aquatique sont recherchées par les élèves. La démarche d investigation suivie privilégie une approche naturaliste, qui permet de localiser par l observation des organes intervenant dans la respiration, chez le poisson. À l issue d une dissection et d une ébauche de réflexion sur les surfaces d échange, la fonction respiratoire des organes mis en cause est alors confirmée. Ainsi, les branchies permettent, dans l eau, l absorption de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone, ces gaz étant dissous dans l eau. Connaissances construites Chez les animaux, les échanges gazeux se font entre l eau et l organisme par l intermédiaire d organes respiratoires : les branchies. 8 CHAPITRE 1

4 Capacités et compétences développées Réaliser une dissection permettant de mettre en évidence un organe respiratoire (documents d, e et f). (Ra/Re) Réaliser une observation d organe respiratoire en utilisant une loupe binoculaire (document e). (Re) Réponses aux questions posées Chez le poisson, des mouvements réguliers d ouverture et de fermeture de la bouche et des opercules s observent. Ces mouvements alternent. On peut supposer que ces mouvements ont un rôle respiratoire, car leur fréquence augmente lorsque le milieu est appauvri en dioxygène. Les mouvements observés de la bouche et des opercules permettent d entretenir un courant d eau entrant par la bouche et sortant par les ouïes. Or, l eau sortant par l ouïe est appauvrie en dioxygène et enrichie en dioxyde de carbone par rapport à l eau entrant par la bouche. Donc, les mouvements observés interviennent dans la respiration du poisson en favorisant l absorption de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone. Les branchies du poisson, de couleur rouge, sont nombreuses (4 paires au total) ; elles sont constituées d un arc, sur lequel est insérée une double rangée de filaments. La coloration rouge des branchies est due au fait que ces organes sont richement irrigués de sang. Les branchies sont qualifiées d organes respiratoires, car c est à leur niveau que se réalisent les échanges gazeux respiratoires entre l animal et l eau : du dioxygène est absorbé, tandis que du dioxyde de carbone est rejeté par l organisme. Matériel et mise en œuvre Utiliser l animation figurant sur le CD-Rom SVT 5 e pour visualiser le courant d eau traversant le poisson (en relation avec les mouvements respiratoires) et les échanges gazeux au niveau des branchies. Cette étude peut être complétée en classe par la manipulation classique consistant à placer une pipette remplie de liquide coloré (bleu de méthylène) au voisinage de la bouche du poisson rouge pour observer le flux d eau entrant par la bouche et sortant par les ouïes. Mettre à bouillir de l eau, puis la refroidir, pour obtenir une eau pauvre en dioxygène. S assurer alors que l eau riche en dioxygène et l eau pauvre en dioxygène ainsi obtenue sont de même température avant de mesurer la fréquence d ouverture de la bouche du poisson. Quelques informations complémentaires au sujet des modalités de la respiration branchiale et des données d ordre anatomique sont disponibles sur le site : (suivre les liens intitulés «Aspects de la biologie des poissons» puis «Respirer sans faire de bulles»). Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. CHAPITRE 1 9

5 ACTIVITÉ 3 Des organes pour respirer dans l air Les objectifs visés Cette activité permet aux élèves de découvrir des organes respiratoires adaptés à la respiration des animaux dans le milieu aérien : les poumons sont observés à partir d une dissection de grenouille ; les trachées sont observées à la loupe binoculaire et au microscope à l issue de la dissection d un criquet. La nature des échanges gazeux réalisés entre l air et l organisme au niveau de ces organes permet de les qualifier d organes respiratoires. Le positionnement des animaux étudiés dans la classification des êtres vivants permet d enrichir la classification des êtres vivants amorcée en classe de 6 e ; la diversité des organes respiratoires contribue également à enrichir les critères qui sous-tendent l activité classificatoire. Connaissances construites Chez les animaux, les échanges gazeux se font entre l air et l organisme par l intermédiaire d organes respiratoires tels que poumons, trachées. 10 CHAPITRE 1

6 Capacités et compétences développées Réaliser une dissection permettant de mettre en évidence un organe respiratoire (documents b, c, d, f, g et h). (Ra/Re) Réaliser une observation d organe respiratoire en utilisant un microscope (documents g et h). (Re) Réponses aux questions posées Plusieurs indices indiquent que la grenouille verte a une respiration aérienne : on la rencontre fréquemment hors de l eau, sur les berges de l étang ; lors des phases de vie aquatique, la grenouille verte remonte périodiquement à la surface. Le poumon est un organe respiratoire, car c est au niveau de cet organe que se réalisent les échanges gazeux respiratoires entre l animal et son milieu : du dioxygène est absorbé dans l air, tandis que du dioxyde de carbone y est rejeté. Les mouvements d ouverture et de fermeture des stigmates associés aux mouvements réguliers de l abdomen laissent supposer que les stigmates interviennent dans la respiration, en favorisant les échanges gazeux entre le criquet et son milieu. Les trachées, tubes creux et brillants, se ramifient à l intérieur du corps de l animal ; elles sont nombreuses et fines. Les trachées mettent en communication les stigmates avec les organes du criquet. La trachée est un organe respiratoire, car c est au niveau de cet organe que se réalisent les échanges gazeux respiratoires entre le criquet et son milieu : du dioxygène est absorbé dans l air, tandis que du dioxyde de carbone y est rejeté. Matériel et mise en œuvre Dissection de la grenouille La solution la plus simple pour se procurer des grenouilles est de les commander congelées. Pour cela, consulter la société Sordalab qui travaille avec un centre d élevage agréé d animaux destinés à la recherche biomédicale ; les grenouilles congelées sont vendues 1,65 TTC l unité. Un protocole de dissection est consultable en ligne sur le site académique de Rennes : Une dissection virtuelle en Flash est disponible sur un site anglophone : Il est conseillé de souffler de l air à l entrée de la glotte, en plaçant l extrémité d une pipette au fond de la bouche de la grenouille, pour provoquer le gonflement des poumons de l animal. Dissection du criquet Contacter la société Sordalab pour la commande de criquets conservés dans l alcool. Les criquets migrateurs ou criquets pèlerins se commandent par dix (Prix TTC : 14 les 10). Des préparations de trachées d insectes sont également commercialisées par cette société. Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. CHAPITRE 1 11

7 ACTIVITÉ 4 Respirer et occuper un milieu, la mare Les objectifs visés Cette activité permet de découvrir des comportements respiratoires en relation avec l occupation des milieux. Cette connaissance est construite à partir d exemples d animaux de la mare. Les photographies et les textes associés sont autant de supports permettant aux élèves de s informer sur le milieu de vie (aquatique ou aérien), le milieu de respiration (air ou eau) et la nature des organes respiratoires (poumons, trachées ou branchies) des animaux présentés. La disjonction entre le milieu respiratoire et le milieu de vie de certains animaux permet à l élève de s interroger et de découvrir des comportements respiratoires expliquant l occupation du milieu aquatique. Connaissances construites La diversité des appareils et des comportements respiratoires permet aux animaux d occuper différents milieux. 12 CHAPITRE 1

8 Capacités et compétences développées Relier l organe et le comportement respiratoire d un animal à son milieu de respiration et au milieu de vie (documents a à e). (Ra) Réponses aux questions posées 1 Animaux Milieu de vie Milieu de respiration Comportement particulier Organe respiratoire grenouille verte aquatique (aérien) air remonte périodiquement à la surface poumons nèpe aquatique air remonte périodiquement à la surface poule d eau aérien air plonge sa tête sous l eau pour chercher sa nourriture gerris aérien air glisse sur l eau pour se déplacer carpe aquatique eau recherche sa nourriture au fond de la mare trachées poumons trachées branchies 2 L occupation du milieu aquatique est aisée pour le poisson qui possède des branchies lui permettant de respirer dans l eau. Des comportements respiratoires particuliers (remontée périodique à la surface de l eau) permettent aux animaux possédant des poumons (grenouille verte) ou des trachées (nèpe) de respirer dans l air et d occuper le milieu aquatique. Matériel et mise en œuvre Le milieu considéré dans cette activité est la mare. Cependant, il convient de préciser la notion de milieu de vie en faisant émerger un dialogue inter-élève. Ainsi, doit aboutir de cette activité de classe la distinction entre milieu aérien et milieu aquatique. L occupation du milieu aquatique de la mare par des animaux à respiration aérienne peut être complétée par d autres exemples empruntés notamment au groupe des insectes. divers comportements respiratoires sont décrits ou illustrés sur les sites suivants : /jeux_nature_enfants/mare/jeuxmare.htm un site très complet sur l environnement de la mare peut être consulté à l adresse suivante : Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. CHAPITRE 1 13

9 EXERCICES Appliquer ses connaissances 2 Reconnaître qu un végétal respire 1. Le montage témoin diffère du premier montage par l absence d endive. Ce montage permet de montrer, par comparaison, que l endive est responsable de la diminution de la concentration en dioxygène et du trouble de l eau de chaux dans le montage 1, après 30 minutes. 2. Les résultats expérimentaux obtenus après 30 minutes indiquent que l endive a absorbé du dioxygène et rejeté du dioxyde de carbone. Ces résultats sont en effet confirmés par le trouble de l eau de chaux dans le montage 1. Les échanges gazeux observés au cours de l expérience attestent de la respiration de l endive. 3 Bousculade au voisinage d une bulle! 1. absorption de dioxygène rejet de dioxyde de carbone milieu extérieur paramécie 2. Comme tous les êtres vivants, les paramécies respirent: elles prélèvent ainsi du dioxygène dans leur milieu. Or, la teneur en dioxygène est plus élevée dans la bulle d air que dans l eau. Donc, les paramécies se rassemblent au contact de la bulle d air pour prélever du dioxygène dans l air. 4 Affaire de plongées 14 CHAPITRE 1 1. L inventeur Halley et l araignée argyronète sont confrontés à un même problème: comment occuper le milieu aquatique, alors que les échanges gazeux respiratoires se réalisent dans l air chez l Homme ou chez l araignée? 2. Les solutions trouvées par Halley et l argyronète sont semblables: elles consistent à emporter sous l eau une réserve d air, pour pouvoir y réaliser les échanges gazeux respiratoires.

10 5 Reconnaître qu un être vivant respire 1. Le tableau proposé à l étude pourrait être intitulé: «La consommation de dioxygène chez des animaux de masse croissante.» 2. Le tableau présenté n illustre que partiellement les échanges gazeux d origine respiratoire réalisés par les animaux dans leur milieu. En effet, la respiration se caractérise non seulement par l absorption de dioxygène dans le milieu, mais également par le rejet de dioxyde de carbone. Or, cette dernière donnée n est pas précisée pour les animaux présentés. 3. L analyse de ce tableau montre que plus la masse de l animal est élevée, plus sa consommation de dioxygène est importante, rapportée en ml/kg/heure. 4. La souris a une masse inférieure à celle de l Homme, mais consomme plus de dioxygène par kilogramme et par heure. L explication précédente n est donc pas la seule possible. 6 Le souffle des océans 1. La phrase montrant que la baleine respire est la suivante: «La baleine rejette alors de l air enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en dioxygène au niveau de ses poumons, puis elle inspire de l air frais.» 2. Le milieu de vie de la baleine est l eau; son milieu de respiration est l air. 3. Le poumon est l organe respiratoire de la baleine. 4. Pour réaliser les échanges gazeux respiratoires, la baleine remonte périodiquement à la surface. Elle rejette de l air enrichi en dioxyde de carbone par l évent et inspire de l air frais enrichi en dioxygène. Le souffle de la baleine, repérable à plusieurs centaines de mètres de distance, est donc une manifestation visible de l activité respiratoire de la baleine. 7 Gros plan sur la respiration des requins 1. Les branchies constituent l appareil respiratoire du requin. 2. Au niveau des branchies du requin, s effectuent des échanges gazeux respiratoires entre l eau et le requin; du dioxygène est absorbé par l organisme et du dioxyde de carbone est rejeté dans l eau. 3. Le requin doit constamment nager afin de renouveler l eau riche en dioxygène au niveau de ses branchies. Le requin, poisson à squelette cartilagineux dépourvu d opercules, a donc un comportement respiratoire différent de celui du poisson rouge par exemple, poisson à squelette osseux dont les mouvements réguliers des opercules entretiennent un courant d eau au niveau des branchies. CHAPITRE 1 15