Agrégation interne Exposé de leçon La transformation de la matière organique du sol (6 e BPV)

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1 Agrégation interne Exposé de leçon La transformation de la matière organique du sol (6 e BPV) Extraits du programme : 6 e (2007) Partie : Origine de la matière des êtres vivants Délimitation du sujet Sol : milieu minéral + organique Question posée : comment la MO (végétaux + animaux) se transforme-t-elle? Transformation rendue visible par la «disparition» de la matière d origine animale ou végétale déposée sur le sol J. Segarra / Mars /10

2 Il ne s agit pas de traiter du sol en tant que tel mais son étude permet de trouver l origine de la transformation de la MO. On élabore un premier cycle de la matière. Introduction Le thème présenté dans cet exposé fait partie du chapitre du programme «Origine de la matière des êtres vivants». Les notions d êtres vivants producteurs de MO, et les besoins différents des animaux et des végétaux ont été présentés précédemment. En outre, depuis l école primaire et en 6 e, les élèves ont appris à construire des chaînes et des réseaux alimentaires. L objectif de ce chapitre est différent : il s agit de présenter le recyclage de la MO en MM au niveau du sol. Comment introduire cette partie? plusieurs possibilités sortie en début d année de 6 e a éventuellement permis l observation de feuilles en décomposition en forêt Pb : Comment expliquer la décomposition/disparition des feuilles sur le sol? situation problème soumise aux élèves : à l automne, les feuilles de nombreux arbre tombent. Déjà vu en forêt, dans la rue, dans les parcs? Comment expliquer leur disparition? On peut passer par une phase calculatoire pour montrer que si elle ne disparaissait pas, elle s accumulerait : quelle serait la hauteur atteinte par les feuilles en 1 an? 10 ans? Problème : Comment expliquer la disparition de la matière déposée par les êtres vivants sur le sol? J. Segarra / Mars /10

3 I. Le sol, un milieu de décomposition de la matière organique Objectif de la partie : découvrir les différentes composantes du sol et mettre en évidence qu il est un milieu de transformation de la matière organique Rappeler que par «matière organique» on entend matière spécifique produite par les êtres vivants (niveau 6 e ). 1) Les différentes couches d un sol OC : structure générale d un sol ; disparition de la MO passe par une décomposition progressive des restes ou des déchets d êtres vivants. OM : observer une photo ; distinguer et décrire différentes structures ; classer les éléments du sol en organique/minéral (utilisation des acquis des chapitres précédents) ; savoir reconnaître et ordonner différents stades d un processus progressif ; réaliser un tableau. Support : coupe de sol lors d une sortie - utilisation d une photo prise lors de la sortie initiale de 6 e Travail individuel ou en binôme Q? Combien de couches identifiez-vous? Quelles sont leurs caractéristiques (distinguer la matière organique et la matière minérale, la présence d êtres vivants)? Commenter l évolution de l état des feuilles de la surface vers les couches profondes du sol? Réalisation d un tableau (n de la couche/caractéristiques/état des feuilles/nom de la couche) RA : On peut repérer 4 couches : de la surface vers la profondeur - feuilles mortes, animaux morts, mais aussi animaux vivants juste en dessous des végétaux, couche superficielle - feuilles en décomposition : elles sont plus ou moins entières - couche plus grise/sombre, on ne distingue plus clairement les débris d animaux et de végétaux qui sont mélangés à de la matière minérale - couche minérale : sable, graviers Les feuilles sont progressivement décomposées de la surface vers les couches les plus profondes du sol (de moins en moins de matière visible ). Le professeur dénomme les différentes couches : litière (couche 1 et 2), humus (couche 3), couche minérale ou rocheuse (couche 4). Q? Donner une définition du sol? RA - NC : Le sol est la partie dans laquelle les végétaux ont leurs racines. Il est situé entre l air et les roches en profondeurs (sous-sol). Il est un mélange entre des êtres vivants, des parties minérales et des parties en décomposition (ex. : feuilles). 2) La diversité des êtres vivants du sol OC : présence d êtres vivants dans le sol ; diversité des êtres vivants du sol. OM : réaliser un montage expérimental à partir d instructions ; comprendre l intérêt de certains dispositifs techniques ; utiliser une clé de détermination ; rédiger un compte-rendu. J. Segarra / Mars /10

4 Lors de la sortie, ou sur des photos, observation dans la litière d êtres vivants comme un ver de terre Activité : à partir de litière ramassée en forêt, récolter des animaux à l aide du dispositif de Berlèse Travail par groupe (binômes/trinômes) Montage de l appareil de Berlèse Récolte : d une semaine sur l autre par exemple (attente d une nuit pour en avoir suffisamment). Identification et dénombrement : aspects qualitatif et quantitatif. Cette étape d identification nécessite de fournir une clé (on peut en proposer une) simple de détermination Remarque : Lien à faire avec le chapitre Diversité, parentés et unité des êtres vivants. Q? Pourquoi éclaire-t-on la litière? Pourquoi met-on de l alcool à 70 C? R! Animaux fuient la lumière et tombent à travers l entonnoir. L alcool permet de les tuer et de les conserver. Q? Combien d espèces différentes avez-vous trouvé? Quel est le groupe le plus abondant? etc RA : Conclusions sur la diversité : nombre de groupes différents, taille des animaux En complément : 1) on peut présenter des clichés ou des échantillons réels de feuilles montrant des filaments mycéliens présence de champignons dans le sol. 2) Petit texte sur la diversité des êtres vivants qui permet d introduire les microorganismes/bactéries et leur quantité importante. 3) Quantification des masses de chaque être vivant (tableau) ; données disponibles dans le Soltner, Tome I Le sol Notion construite Le sol contient de nombreux êtres vivants. La diversité est importante : arachnides, crustacés, myriapodes, vers, escargots, insectes, champignons, microorganismes Bilan : Le sol est un milieu de vie qui présente un mélange entre matière minérale, matière organique et êtres vivants. La matière organique est progressivement transformée dans le sol. Quels sont les agents de la décomposition de la matière organique du sol? II. L activité des êtres vivants du sol à l origine de la transformation de la matière organique Objectif partie : établir un lien entre les êtres vivants, leur activité et leur rôle dans la transformation de la MO. J. Segarra / Mars /10

5 1) Le rôle des êtres vivants dans la décomposition de la matière organique OC : les êtres vivants sont responsables de la décomposition/transformation de la MO. OM : émettre des hypothèses ; analyser et interpréter une expérience ; rédiger une conclusion d expérience. Exercice intégré : analyse d une expérience visant à prouver le rôle des êtres vivants dans la décomposition de la MO Hypothèse pour expliquer la décomposition de la MO : «Les êtres vivants sont responsables de la décomposition de la MO» Conséquence vérifiable : en absence d êtres vivants, il n y aura pas de décomposition de MO. Protocole : supprimer la présence d êtres vivants dans le sol stérilisation. Trois situations à comparer : Exp.1 : feuille Exp.2 : feuille + terre Exp.3 : feuille + terre stérilisée Souvent, on utilise du papier buvard (cellulose comme la feuille) pour analyser dans un temps assez court la décomposition de la MO. Expérience s étendant sur quelques semaines. Analyse du protocole et des résultats Q? Comparer l expérience 1 et l expérience 2? Quel est le rôle de la stérilisation? Comparer les résultats des expériences 2 et 3 en précisant quelle est l expérience témoin? Qu en concluez-vous? R! La feuille «seule» ne subit pas de transformation ; la terre est donc impliquée/responsable de sa décomposition. La stérilisation «tue» les organismes. Elle supprime l activité des êtres vivants dans le sol. Exp2+3 : L expérience 2 peut être considérée comme le «témoin» (condition sans modification). Décomposition quand non stérile / Absence de décomposition en présence de terre stérilisée. Interprétation - Conclusion La décomposition de la matière organique est dépendante de la présence d êtres vivants du sol. On peut supposer qu ils sont nécessaires/indispensables à la décomposition de la MO. NC La décomposition des matières est due à l action des êtres vivants. Ces êtres vivants sont appelés des décomposeurs. Q? Comment agissent les êtres vivants du sol et décomposent-ils la MO? 2) Le réseau alimentaire des êtres vivants du sol et la transformation de la matière organique OC : réseau alimentaire constitué des êtres vivants du sol ; circulation de la matière est liée à sa transformation progressive en matière minérale. OM : lire un tableau ; savoir transposer les informations d un tableau sous forme de schéma (chaîne puis réseau alimentaires). Concept de réseau alimentaire a déjà été envisagé à l école primaire (cf. fiches connaissance n 10, cycles 2 et 3, CNDP, 2002) et le concept de régime alimentaire a déjà été revu dans la même partie de programme («végétaux et animaux prélèvent des matières différentes dans le milieu). Activité : réalisation de chaînes et réseaux alimentaires du sol J. Segarra / Mars /10

6 (cette activité peut faire l objet d un exercice intégré ; toutefois il n y a pas de notion nouvelle développée à l issue de l activité : réinvestissement des notions de chaînes/réseaux alimentaires) Support : tableau présentant le régime alimentaire de différentes espèces d êtres vivants du sol (ex : tableau réalisé à partir d un document du Précis d écologie, Dajoz complété avec bactéries et champignons) Animal Vers (dont ver de terre) Collemboles Lithobie, géophile (myriapodes) ou gloméris Arachnides Larves (notamment larves de diptères) Champignons, bactéries Régime alimentaire Feuilles, débris végétaux Débris végétaux, humus Débris végétaux, collemboles, vers de terre Larves de diptères, collemboles, myriapodes Débris végétaux, débris animaux MO de l humus, de la litière... Travail par binôme/groupe pour construire des chaînes puis mise en commun pour construire un réseau alimentaire (avec mention des bactéries et champignons indispensables pour la minéralisation de la MO). Q? Réaliser à partir du tableau deux chaînes alimentaires avec au moins trois maillons en reliant les différents êtres vivants par une flèche signifiant «est mangé par». RA : présenter plusieurs chaînes possibles ; les choisir avec des éléments en commun pour «préparer» le réseau alimentaire à construire. Q? Que représente la matière organique pour les êtres vivants du sol? RA : la MO présente dans le sol constitue la nourriture des êtres vivants du sol. Q? Réaliser un réseau alimentaire en reliant les chaînes alimentaires. RA : réseau alimentaire construit au tableau. Notion construite : Les êtres vivants du sol se nourrissent de végétaux plus ou moins décomposés, d animaux vivants ou morts mais aussi de bactéries et de champignons. Ils dépendent les uns des autres pour leur nutrition et ils forment un réseau alimentaire. Les décomposeurs transforment peu à peu la matière organique en matière minérale qui retourne dans le sol. Schéma-bilan : il a pu être ébauché auparavant avec la partie aérienne du réseau (végétaux/animaux) On symbolise un réseau alimentaire initié par les restes de végétaux et d animaux et qui aboutit à de la matière minérale. Conclusion Le thème étudié/analysé dans ce dossier permet de mettre en évidence les constituants minéraux et vivants du sol. Il permet de révéler la vie du sol et son importance pour la minéralisation de la MO. C est une approche du recyclage de la matière et de la notion de cycle de la matière. Ces concepts de cycles seront analysés, sous des angles différents dans la scolarité du secondaire : carbone et eau en seconde, carbone en terminale S spécialité J. Segarra / Mars /10

7 Un des aspects intéressants qui peut être abordé au cours de l étude de ce thème est la notion de biodégradabilité des objets produits et utilisés par l homme. Une expérience au long cours dans l année (objets de la vie courante disposés sur ou dans la terre : plastique, papier, métal ) permettrait d illustrer/de toucher du doigt la biodégradabilité et de contribuer ainsi à une compréhension des consignes données pour «respecter la nature» dans le cadre d un axe important du programme : l EEDD. Bibliographie et matériel SOLTNER : Les bases de la production végétale. (S.T.A.) ; (Tome 1) Le Sol CHAUVIN G. : Les animaux des jardins. (Ouest France) FAURIE & al : Ecologie, approches scientifiques et pratiques (Tec et Doc) GOBAT J.M., ARAGNO M., MATTHEY W. : Le sol vivant, (Presses polytechniques et universitaires romandes, (1998) Diapos avec animaux du sol, des coupes de sol Ne pas oublier de demander un dispositif de type Berlèse et éventuellement des animaux récoltés lors d une précédente session Quelques documents et données complémentaires Un exemple de schéma-bilan : SVT 6 e, Bordas, 2005 J. Segarra / Mars /10

8 Quelques éléments concernant le cycle de l azote (voir Heller et al., Physiologie végétale Tome 1) De nombreux micro-organismes bactériens et des champignons sont des décomposeurs. Les édifices supramoléculaires organiques subissent d abord une simplification moléculaire puis la matière organique est progressivement minéralisée. Les molécules dégradées sont source de matière et d énergie pour les décomposeurs qui sont généralement des chimio-organotrophes. La température, le ph, l oxygénation, l humidité sont des facteurs importants de l activité de décomposition. Par exemple, les champignons sont surtout trouvés dans des sols acides et les bactéries dans des sols plutôt basiques. La dégradation des végétaux amène à la formation d humus. L ammonification La minéralisation finale a lieu avec le processus d ammonification (ou ammonisation) grâce à des bactéries ammonifiantes. La réaction globale est, à partir d acides aminés (R : résidu de l acide aminé) : R-CH(NH 3 + )(COO - ) + H 2 O R-CH 2 OH + CO 2 + NH 3 Cette réaction, à partir d acides aminés ou d amides, permet le retour de l azote aux formes minérales. La nitrification : le passage aux ions nitrates La nitrification correspond au passage de l azote ammoniacal à l azote nitrique. Ces étapes sont accomplies par des bactéries. La découverte, par Winogradsky à la fin du XIX e siècle, de ces bactéries et de leur métabolisme a permis de mettre en évidence l existence de la chimiosynthèse. En effet, ces bactéries peuvent se développer sur un milieu uniquement minéral : elles incorporent le dioxyde de carbone à la matière organique en utilisant l énergie libérée par l oxydation de l ammoniac. Les bactéries nitrifiantes sont des chimiolithotrophes. La première étape, la nitrosation (ou nitritation), consiste en une oxydation des ions ammonium en nitrites. Cette réaction est réalisée par des bactéries nitreuses telles que Nitrosomonas : NH /2 O 2 NO H 2 O +2 H + La seconde étape, dite de nitratation, consiste en une oxydation des nitrites en nitrates. Elle est effectuée par des bactéries nitriques telles que Nitrobacter : NO /2 O2 NO 3 - La nitrification ne se développe que dans des milieux relativement aérés (réactions aérobies). Les réactions de nitritation et de nitratation sont des réactions exergoniques dont l énergie est utilisée dans l incorporation du CO 2 dans la matière organique. Néanmoins, les rendements sont très faibles : il faut, en pratique, 30 moles de NH 4 + pour réduire 1 mole de CO 2. La dénitrification et la formation de diazote Cette partie du cycle est accomplie par des bactéries dénitrifiantes. L énergie libérée par les - réactions d oxydoréduction permet la réduction du NO 3 en NH 3 ou en N 2. Les bactéries dénitrifiantes sont des chimiotrophes. Elles effectuent une respiration anaérobie puisque le NO - 3 est l accepteur final des électrons libérés par la dégradation d un substrat et non pas le dioxygène. Les transferts d électrons sont associés à la production d énergie sous forme d ATP. Des bactéries du genre Pseudomonas ou Bacillus réduisent le NO - 3 en NH 3. Elles oxydent des substrats organiques : ce sont des chimio-organotrophes. Cette réaction est analogue à la réduction des nitrates présente dans les étapes assimilatoires de l'azote (voir I.B.), à la différence que la réaction d assimilation n est pas associée à la synthèse d ATP (on ne peut pas alors parler de respiration anaérobie). D autres bactéries telles que Thiobacillus denitrificans réduisent les nitrates en diazote : J. Segarra / Mars /10

9 5 S + 6 NO H 2 O 3 N SO H + Ces bactéries sont des chimiolithotrophes puisque le soufre minéral est oxydé et les ions nitrates réduits. Les dénitrificateurs jouent un rôle important dans les zones peu oxygénées. Le flux désassimilatoire permet le retour de l azote sous forme minérale et moléculaire. Le rôle des micro-organismes est prépondérant dans cette partie du cycle Comment définir les végétaux? voir article de Marc-André Selosse : Animal ou végétal? une distinction obsolète. Pour La Science 350, 66-72, 2006 (le pdf est téléchargeable sur le site de MA Sélosse : Extrait de l article : Revenons à notre question : que sont devenus les végétaux dans cette classification remaniée? La définition du terme végétal est discutable Proposons, pour commencer, d y réunir tous les eucaryotes capables de photosynthèse (en vert sur la figure). Cela en exclut d emblée les champignons, mais regroupe tous les organismes dotés de plastes, des organites qui contiennent la chlorophylle et sont doués de photosynthèse. On constate qu ils forment un ensemble multiple, et non monophylétique : ils n ont aucun ancêtre commun dont ils seraient tous issus, et eux seulement. Pourquoi un tel éparpillement? J. Segarra / Mars /10

10 Si on s en tient à ce qui est donné dans l ouvrage Classification phylogénétique du vivant Dans les groupes végétaux comme on l entend au sens classique, on trouve essentiellement les groupes phylogénétiques suivants Lignée verte : contient des chloroplastes contenant tous de la chlorophylle a rhodobiontes : «algues rouges» chlorobiontes : «algues vertes» et embryophytes (plantes terrestres) Lignée brune : chloroplaste à 4 membranes Rq : Chlorophylles a et b chez les embryophytes. Chlorophylle c présente chez les rhodophycées et les phéophycées (algues rouges et algues brunes). J. Segarra / Mars /10