Respiration et occupation des milieux de vie

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1 Respiration et occupation des milieux de vie SOMMAIRE : Pb 1 : qu 'est-ce que la respiration? (Rappels sur la démarche hypothético-déductive) Pb 2 : quels organes permettent aux animaux de respirer dans des milieux si différents que l'air et l'eau? Pb 3 : quels sont les facteurs naturels du milieu qui peuvent modifier la respiration donc la répartition des êtres vivants dans l eau? (Rappels sur la schématisation d'une expérience et la construction d'un graphique) Pb 4 : quels facteurs humains peuvent-ils avoir une influence sur la teneur en dioxygène de l eau, donc sur la respiration et la répartition des êtres vivants aquatiques? Problématique : qu'est-ce que la respiration, et comment est-elle possible dans des milieux si différents que l'air ou l'eau, surtout si les conditions physiques du milieu changent? Pb 1 : qu'est-ce que la respiration? Rappel de 6 : les êtres vivants (animaux, végétaux, champignons) respirent. 1) Hypothèses : 1a : respirer consisterait à prendre du dioxygène, 1b : respirer consisterait à rejeter du dioxyde de carbone. 2) Pour vérifier, il faut : 1a : prouver que les êtres vivants prennent du dioxygène quand ils respirent (voir activité 1a), 1b : prouver qu'ils rejettent du dioxyde de carbone (voir activité 1b). 3) Vérification expérimentale : 1a : on met un être vivant dans une boîte fermée avec un appareil servant à mesurer le taux de dioxygène (ou sa quantité) dans l'air (ou l'eau pour un être vivant aquatique) ; cet appareil est appelé oxymètre. Si la valeur qu'il indique diminue au cours du temps, c'est probablement parce que l'être vivant a pris du dioxygène. 1b : on met un être vivant dans une boîte fermée avec un produit chimique qui change de couleur quand il y a du dioxyde de carbone (l'eau de chaux, limpide quand il n'y a pas de dioxyde de carbone, blanche quand il y en a) ; si l'eau de chaux blanchit au cours du temps, c'est probablement parce que l'être vivant a rejeté du dioxyde de carbone. 1c : on réalise une expérience-témoin, sans être vivant, pour vérifier que c'est bien lui qui est responsable des changements constatés. RAPPELS DE L ECOLE PRIMAIRE :

2 Bilan sur les notions d air, de gaz, de dioxygène et de dioxyde de carbone : - Le gaz est un état de la matière donc il peut changer d état. - L air est de la matière ; on ne sait pas, quand on se déplace, qu on est dans l air, sauf s il y a du vent. Pour prouver que l air est de la matière, on a pesé un ballon gonflé puis un ballon dégonflé et on a ainsi démontré que l air a une masse ; on a aussi montré qu il est transvasable. - Les trois états de l eau : la vapeur d eau est un gaz car des bulles sont visibles lors de l ébullition. - L air est considéré comme un milieu de vie. - Le dioxygène et le dioxyde de carbone participent à la fonction commune des êtres vivants qu est la respiration. RAPPELS DE SIXIEME : On a appris à employer les termes de dioxygène et de dioxyde de carbone. - Les végétaux chlorophylliens produisent de la matière à partir d une autre matière, le dioxyde de carbone, qui est de la matière minérale. RAPPELS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE EN CINQUIEME : - Les gaz étudiés : 1) le dioxyde de carbone : récupération, solubilité, dégazage ; caractérisation avec l eau de chaux. 2) la vapeur d eau. 3) le dioxygène. - L eau est un solvant, du dioxygène et du dioxyde de carbone entre autres. - Pas de symboles ni de réactions chimiques. 1a : vérifier si les êtres vivants prennent du dioxygène quand ils respirent. ᴥ Description des résultats. Valeurs indiquées par l'oxymètre : - au début de l'expérience-témoin : 10,8 unités arbitraires - à la fin de l'expérience-témoin : 10,8 unités arbitraires - au début de l'expérience avec la carotte : 10,8 unités arbitraires - à la fin de l'expérience avec la carotte : 9,9 unités arbitraires On observe que pour l'expérience-témoin, la valeur indiquée par l'oxymètre reste la même. Pour l'expérience avec la carotte, elle diminue. ᴥ Déductions. On déduit que : - il y a moins de dioxygène dans l'air de la boîte, - DONC la carotte a pris du dioxygène. 1b : vérifier si les êtres vivants rejettent du dioxyde de carbone quand ils respirent.

3 ᴥ Description des résultats. On observe que pour l'expérience-témoin, l'eau de chaux est devenue légèrement blanche. Pour l'expérience avec la carotte, elle est devenue nettement plus blanche. ᴥ Déductions. On déduit que : - pour l'expérience-témoin, il y a un peu de dioxyde de carbone dans l'air, DONC l'air contient un peu de dioxyde de carbone - pour l'expérience avec la carotte, il y a plus de dioxyde de carbone dans l'air de la boîte, DONC la carotte a rejeté du dioxyde de carbone. 4) Comparaison des valeurs de la quantité de dioxygène au début et à la fin des expériences pour mettre en évidence l'absorption de dioxygène par les êtres vivants : il y a moins de dioxygène à la fin de chaque expérience qu au début. La variation des valeurs est très faible pour l expérience témoin, ce qui prouve que c est bien l être vivant qui est responsable du changement constaté. 5) Schématisation de l'expérience mettant en évidence le rejet de dioxyde de carbone par un être vivant : Pour réussir un schéma d'expériences, il faut prendre modèle sur celui ci-après : - utiliser seulement le crayon de papier, même pour le titre, - utiliser toute la largeur de la page, (faire comme si la marge n'existait pas) - représenter un schéma pour le début de l'expérience et un pour les résultats à la fin, chacun à une extrémité de la largeur de la page, avec les légendes entre les deux, - faire des schémas suffisamment grands pour qu'ils soient bien visibles et pour qu'il y ait assez de place pour les légendes, mais pas trop grands, sinon il n'y aura justement plus d'espace entre les deux pour placer les légendes, - écrire les légendes sur les lignes, en évitant d'utiliser les interlignes, et dans l'ordre afin que les flèches ne se croisent pas, - tracer les flèches des légendes à la règle, si possible horizontalement, - les flèches des légendes partent de l'extrémité du mot et se terminent par une pointe en «V» qui touche avec précision l'élément qu'elles désignent, - ne jamais écrire sur les flèches des légendes ni sur des traits, - noter un titre sous le schéma (en précisant pour chacun des deux schémas l'étape qu'il représente : «début de l'expérience» et «fin de l'expérience, au bout de...»

4 6) Interprétation des résultats - pour l expérience témoin : l air contient un peu de dioxyde de carbone, qui trouble l'eau de chaux. - pour l expérience avec l endive : l endive a rejeté du dioxyde de carbone dans l air. Rappel de Sixième : les végétaux verts fabriquent leur matière vivante grâce à la chlorophylle qu ils contiennent (et qui leur donne leur couleur verte) à partir du dioxyde de carbone pris dans leur milieu de vie (air ou eau) à condition qu ils soient exposés à la lumière. Donc si on veut montrer qu ils rejettent du dioxyde de carbone en respirant, il faut mettre la boîte de l expérience dans l obscurité. 7) Conclusion : La respiration consiste pour les animaux et les végétaux à : - absorber du dioxygène et - rejeter du dioxyde de carbone, dans leur milieu de respiration, qui peut être l air ou l eau. Il peut être différent du milieu de vie, comme par exemple le dauphin, qui vit dans l eau mais respire dans l air. Application : construire une démarche scientifique permettant de savoir si les asticots respirent. Coup de pouce : il faut construire un graphique représentant les variations de la teneur en dioxygène de l'air dans l'enceinte contenant des asticots en fonction du temps, puis décrire les variations de ce graphique. 1) Pb : les asticots respirent-ils? 2) Hyp : ils respireraient, puisqu'ils sont vivants. 3) Pour vérifier, il faut montrer qu'ils prennent du dioxygène (en mesurant la quantité de dioxygène dans une boîte fermée au début de l'expérience puis au fur et à mesure que le temps passe) et qu'ils rejettent du dioxyde de carbone (en mettant un bouchon d'eau de chaux dans la boîte). 4) Observation des résultats : construction du graphique représentant les variations de la teneur en dioxygène de l'air dans l'enceinte contenant des asticots en fonction du temps :

5 5) Description des résultats, c'est à dire des variations du graphique : plus le temps passe, plus la quantité de dioxygène dans l enceinte diminue. On peut dire aussi : plus le temps passe, moins il y a de dioxygène dans l'air de l'enceinte. 6) Interprétation des résultats : les asticots prélèvent du dioxygène dans l air de l enceinte. 7) Conclusion : si l'eau de chaux est devenue trouble, alors on peut affirmer que las asticots respirent. Pb 2 : quels organes permettent aux animaux de respirer dans des milieux si différents que l'air et l'eau? Hyp : ceux qui respirent dans l eau auraient des branchies et ceux qui respirent dans l air auraient des poumons. Pour vérifier, il faut disséquer un animal aquatique pour voir s il a des branchies, par exemple un poisson et aussi un animal aérien pour voir s il a des poumons, par exemple un insecte. Activité 5-1-2a : recherche des critères permettant de classer un animal dans la classification. Le poisson possède une colonne vertébrale, un squelette osseux et des nageoires à rayons. C est donc un actinoptérygien. Le ver de farine possède une carapace et des pattes articulées,

6 c'est donc un arthropode ; il possède 3 paires de pattes, c'est donc un insecte. Activité 5-1-2b : observation des organes respiratoires chez le poisson et le ver de farine. L hypothèse était vraie pour le poisson, mais fausse pour le ver de farine qui n a pas de poumons mais des tubes blancs ramifiés qui conduisent l'air, donc le dioxygène qu'ils contiennent, partout dans leur organisme. Ces tubes sont appelés trachées. Si on dépose de l'eau colorée devant la bouche d'un poisson dans un aquarium, on voit que l'eau entre dans la bouche, puis ressort par les opercules (ou ouïes) après être passée dans les branchies ; là, le dioxygène dissout qu'elle contient passe dans le sang des branchies, pénétrant ainsi dans l'organisme du poisson. En échange, le dioxyde de carbone quitte le sang des branchies et passe (à l'état de gaz dissout) dans l'eau, qui est évacuée par les ouïes, au niveau des opercules. On peut observer qu'un escargot inspire et expire, comme nous : son orifice respiratoire (équivalent d'une narine) s'ouvre et se ferme alternativement. Il est en communication avec un poumon, alternativement gonflé et dégonflé. De même pour la limnée, escargot vivant dans l'eau douce, elle est donc obligée, comme le dauphin, de remonter régulièrement renouveler l'air dans son poumon. On peut observer qu'un criquet inspire (son abdomen est gonflé d'air, et touche la brindille sur laquelle il est posé) et expire (son abdomen est dégonflé, et s'éloigne de la brindille sur laquelle il est posé) ; au cours de l'inspiration, l'air chargé de dioxygène entre dans des trous situés sur le côté de son abdomen, et appelés les stigmates, pour aller à l'intérieur de son organisme dans des tubes blancs appelés les trachées ; il passe alors dans l'organisme de l'animal. En échange, le dioxyde de carbone quitte l'organisme pour passer dans l'air des trachées qui est évacué au cours de l'expiration. La dissection du ver de farine montre que lui aussi possède des trachées, comme tous les insectes, adultes ou larves. On peut observer que les larves d'insectes qui vivent dans l'eau (avant de se transformer en adultes aériens), respirent par des trachéobranchies, qui fonctionnent en partie comme des branchies puisque le dioxygène dissous dans l'eau traverse la paroi de cet appareil respiratoire pour entrer dans l'organisme, mais aussi en partie comme des trachées, puisque le dioxygène entre dans l'organisme dans des trachées, et non dans des vaisseaux sanguins comme pour les branchies. Mais cet appareil respiratoire n'est pas au programme. Voilà pourquoi on peut dire qu'il y a des échanges gazeux respiratoires : l'eau ou l'air échangent du dioxygène contre du dioxyde de carbone au cours de la respiration. Les animaux peuvent donc réaliser les échanges gazeux respiratoires entre leur organisme et leur milieu de respiration par des organes respiratoires, qui sont : - des poumons ou des trachées pour les animaux dont le milieu de respiration est l air, - des branchies pour les animaux dont le milieu de respiration est l eau. Ces organes respiratoires variés leur permettent d'occuper des milieux différents. POUR EN SAVOIR PLUS : schématisation des échanges gazeux respiratoires au niveau des organes respiratoires (remarque : il faut remplacer «oxygène» par «dioxygène») :

7 Pb 3 : quels sont les facteurs naturels du milieu qui peuvent modifier la respiration donc la répartition des êtres vivants dans l eau? Activité 3a : recherche expérimentale de l influence de la température de l eau et de la présence de végétaux chlorophylliens sur son oxygénation : On mesure la teneur en dioxygène de l'eau chaude ou froide, de l'eau calme ou agitée, avec ou sans végétaux, etc... et pour chaque facteur mesurer le rythme respiratoire d'un poisson : s'il respire vite (donc mal),ou non. Schématisation de l'expérience de recherche de l'influence de la température de l'eau sur la respiration des poissons : (opm = ouvertures d'opercules par minute)

8 Activité 3b : recherche de l influence de la température et de l agitation de l eau (le courant). On observe que : - Plus l'eau est froide, plus il y a de dioxygène dedans. - Plus l eau est agitée, plus il y a de dioxygène dedans. - On ne trouve pas les mêmes animaux dans l'eau selon sa température et son agitation. On en déduit que la teneur en dioxygène est modifiée par la température et le courant, et qu'elle modifie la répartition des animaux. Explication : certains animaux manquent de dioxygène dans certains milieux, donc respirent mal et partent, ou meurent s'ils ne peuvent pas partir. Activité 3c : recherche de l influence de la présence de végétaux chlorophylliens. On observe qu'il y a plus de dioxygène dans l'eau quand il y a des végétaux chlorophylliens que s'il n'y en a pas. La température, l'agitation de l'eau et la présence de végétaux chlorophylliens influent sur la teneur en dioxygène de l eau. Ces facteurs influencent la respiration des animaux aquatiques, donc leur répartition. 3) Construction du graphique montrant les variations de la teneur en dioxygène de l eau en fonction de l agitation de l'eau : Pour réussir un graphique, il faut prendre modèle sur celui ci-après : - Réalisation de l ensemble du graphique au crayon de papier. - Choix des axes en fonction des paramètres mis en relation. - Axes fléchés. - Indication du paramètre représenté sur chaque axe. - Indication des unités. - Graduation raisonnée des axes (occupation de la longueur disponible, départ et fin des mesures reportées proches des extrémités, écart correct entre deux mesures). - Report correct des mesures données sur les axes. - Report correct des points sur l intersection. - Lisibilité du graphique et soin porté à l ensemble du document. - Rédaction d un titre en cohérence avec la relation exprimée par le graphique.

9 Construction du graphique montrant les variations de la teneur en dioxygène de l eau en fonction de la température :

10 Pb 4 : quels facteurs humains peuvent-ils avoir une influence sur la teneur en dioxygène de l eau, donc sur la respiration et la répartition des êtres vivants aquatiques? 1) Actions négatives : - Les nitrates proviennent surtout des activités des agriculteurs, qui les utilisent dans les engrais pour nourrir les végétaux qu'ils cultivent, afin d'améliorer leur production de matière vivante, donc la vitesse de croissance et donc le rendement. Mais les végétaux sont comme nous : quand ils ont pris ce dont ils besoin pour se nourrir, ils laissent le reste, alors l'excès d'engrais reste dans le sol. A la pluie suivante, les nitrates sont entraînés en profondeur, se retrouvent dans les nappes phréatiques, puis dans les cours d'eau.

11 Les phosphates proviennent surtout des industries ; celles-ci rejettent leurs excédents dans les égouts, qui les emportent vers les stations d'épuration puis les cours d'eau (car les stations d'épuration ne les éliminent pas pour la plupart). Description des variations du développement des végétaux aquatiques en surface en fonction des rejets de nitrates et de phosphates dans les cours d'eau : on observe que plus les rejets de nitrates (utilisés surtout dans l agriculture) et de phosphates (utilisés surtout dans industrie) sont importants, plus les végétaux aquatiques se développent en surface, car ils s'en nourrissent, se développent considérablement et empêchent la lumière de pénétrer dans l'eau en-dessous. Les végétaux plus profonds manquent alors de lumière, ne peuvent plus fabriquer leur matière vivante, donc n'apportent plus de dioxygène : les animaux en manquent. Ainsi plus de la moitié d'entre eux ont disparu des rivières bretonnes. Ainsi le rejet par l Homme de nitrates et de phosphates dans les sols pollue les cours d eau et change la répartition des êtres qui y vivent. - L'eau du Rhône se réchauffe de plus en plus à cause des rejets d'eau chaude par les centrales électriques ou les industries qui pompent l'eau du fleuve pour refroidir leurs installations ; l'eau réchauffée circule dans des canalisations pour ne pas ressortir trop chaude, mais elle excède la température du fleuve de quelques degrés, ce qui suffit pour la réchauffer lentement et continuellement. La teneur en dioxygène diminue donc. Plus la température de l eau du cours d eau est élevée, plus la fréquence respiratoire des poissons est élevée ; on en déduit qu ils ont du mal à trouver du dioxygène et quittent la zone réchauffée pour aller chercher de meilleures conditions de respiration. - Les stations d'épuration ont pour rôle de débarrasser les eaux des égouts (qui viennent des habitations entre autres) de toutes les impuretés qu'elles contiennent. Mais elles n'ont pas toutes les substances nécessaires pour purifier l'eau totalement. Par exemple, les décomposeurs qu'elles possèdent sont insuffisants, n'ont pas assez de temps pour agir correctement, surtout quand il pleut beaucoup. Alors, des déchets de matière vivante se retrouvent dans l'eau des cours d'eau et des décomposeurs les prennent en charge ; mais ils ont besoin de dioxygène pour agir, si bien que la teneur en dioxygène de l'eau diminue. L Homme, en modifiant les conditions de respiration d un milieu, modifie son peuplement, la diversité des espèces, c est à dire la biodiversité. Il peut la détruire. 2) Actions positives : - Il n'y a plus de phosphates dans les produits d'entretien, donc moins de rejets dans les égouts. - Il y a dans les stations d'épuration des bactéries qui «mangent» les phosphates qui y arrivent tout de même. Des stations d'épuration, grâce à certains bactéries, éliminent 70 % des nitrates. - Des bandes d'herbes sont aménagées entre les champs et les cours d'eau pour absorber les nitrates afin qu'ils n'atteignent pas le cours d'eau ; l'alimentation des animaux d'élevage est modifiée afin qu'ils rejettent moins de nitrates dans leurs excréments. - On utilise l'eau chaude produite par les industries pour chauffer des serres ou d'autres industries ayant besoin de chaleur. Des lois imposent un refroidissement plus important de l'eau rejetée.

12 - On améliore les stations d'épuration ; on réinjecte du dioxygène dans les eaux en danger. - Des efforts sont faits pour réduire l usage des polluants en agriculture. Si on ne fait rien, les polluants se retrouvent dans les rivières, puis les fleuves, puis les océans et se répandent partout sur le globe ; ils intoxiquent alors les êtres vivants et nuisent à la biodiversité. L Homme en limitant les rejets de produits toxiques protège la biodiversité. Les activités humaines (agriculture, industries) modifient la teneur en dioxygène de nombreux milieux de vie ; la répartition des êtres vivants est donc modifiée et la biodiversité est menacée. L Homme doit donc changer ses habitudes pour la préserver. Application : 1) Les phosphates rejetés dans des égouts non étanches arrivent dans une rivière. 2) Des algues s en nourrissent, donc se développent tant qu elles prennent tout le dioxygène de l eau (en respirant quand elles sont vivantes, en se décomposant après leur mort*), donc les autres êtres vivants en manquent et disparaissent. * Rappel de Sixième : les algues, comme tous les êtres vivants après leur mort, sont décomposés, c'est-à-dire que leur matière vivante est transformée en matière minérale par des petits organismes appelés «décomposeurs» ; comme ce sont des êtres vivants, s respirent donc consomment du dioxygène, voilà pourquoi il y en a moins dans le milieu de vie. 3) Pour améliorer la situation, on a réparé les égouts pour que les phosphates n aillent plus dans l eau de la rivière. BILAN : Les activités humaines modifient les milieux de vie et donc les conditions de respiration des êtres vivants, ce qui diminue la biodiversité, mais des phénomènes naturels sont aussi responsables. Schéma-bilan :

13 Pour lire ce schéma : - la respiration consiste, pour les animaux comme pour les végétaux, à prélever du dioxygène et à rejeter du dioxyde de carbone - la température et l'agitation de l'eau modifient les conditions de respiration (rappel : car la teneur en dioxygène de l'eau est modifiée) - grâce à la lumière, les végétaux chlorophylliens produisent du dioxygène qu'ils libèrent dans leur milieu, ce qui lui apporte du dioxygène (d'où l'expression «oxygénation des milieux») ; ce dioxygène libéré est absorbé par les animaux quand ils respirent, ce qui leur permet de vivre donc d'exister. POUR EN SAVOIR PLUS : Cette production de dioxygène se fait en même temps que la consommation de dioxyde de carbone nécessaire à la fabrication de la matière vivante des végétaux chlorophylliens ; elle nécessite de l'énergie dite «chimique». Les végétaux chlorophylliens possèdent de la chlorophylle, qui fonctionne comme des petits panneaux solaires microscopiques, car elle capte l'énergie de la lumière pour la transformer en énergie chimique, de même que les panneaux solaires captent l'énergie lumineuse pour la transformer en énergie électrique.