P5 : Etudier les pigments des feuilles

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1 P5 : Etudier les pigments des feuilles Objectif général Rechercher quels pigments existent dans les feuilles ainsi que leur importance. Objectif spécifique Travaillant en groupe ou individuellement, les étudiants conduiront une expérience en utilisant du papier chromatographe pour séparer les différents pigments présents dans les feuilles. Compétences Les étudiants apprendront les concepts clés étudiés et auront la possibilité de mettre en pratique des compétences pour comprendre la chromatographie et le fait que d autres pigments que la chlorophylle soient présents dans les feuilles. Concepts scientifiques Sciences physiques Des réactions chimiques ont lieu partout dans l environnement. Sciences de la vie L énergie circule à travers les écosystèmes selon une direction unique (photosynthèse herbivores- carnivores décomposeurs) Les systèmes vivants ont besoin d'un apport continu d'énergie pour maintenir leur organisation chimique et physique. Compétences scientifiques Observer et déduire. Formuler des hypothèses et des prévisions. Collecter des données Analyser et interpréter des résultats. Communiquer ses résultats et ses conclusions. Concevoir et mener à bien une étude scientifique. Utiliser les techniques et les outils appropriés. Mettre en place des explications et des prévisions à partir de preuves. Utiliser les outils mathématiques appropriés pour analyser des données. Communiquer ses résultats et ses explications. Durée Un cours pour préparer l expérience. Un cours supplémentaire pour les observations. Niveau Intermédiaire, avancé Matériel et instruments Filtres à café en papier blanc, serviettes en papier, papier filtre ou papier pour chromatographie de 2 cm de large et 15 cm de long. Feutres de marque autre que Crayola à l encre noire soluble à l eau. Verre (pour nourriture de bébé ou jus de fruit) ou des récipients en plastique (d environ 250 ml) De l eau à température ambiante Eau chaude du robinet. Alcool à 90 (70% ou 90% d isopropyl) Stylos, bâtons d esquimaux ou pailles Ciseaux Gomme Ruban adhésif Feuilles vertes Feuilles qui ont changé de couleur (qui ne sont plus vertes) Couvercles pour pots, papier d aluminium ou film plastique Casserole plate ou plateau Carnet de science GLOBE Loupe (facultatif) Mortier et pilon pour écraser les feuilles (facultatif) Préparation Aucune Pré requis L ENCADREMENT D UN ADULTE EST NECESSAIRE pour l utilisation de l alcool isopropyl. Lisez toutes les instructions avant de commencer. Observez toutes les mesures de précaution. GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 1 Science du système terrestre

2 Contexte La chromatographie est une technique utilisée couramment dans beaucoup de domaines en sciences et dans l industrie pour séparer et identifier les différentes substances d un mélange. Un chromatogramme est l aspect de la séparation produite par chaque mélange. Le mélange est déposé sur un milieu comme le papier ou la craie, qui absorbe l eau, l alcool ou d autres solvants. Au fur et à mesure que l eau ou l alcool monte par capillarité le long du papier, les molécules ou substances dissoutes dans le mélange avancent à des vitesses différentes. L eau ou un autre solvant monte car la force de capillarité est plus forte que la force de gravité, et la force de capillarité dépend de la cohésion et de l adhésion. La cohésion est l attraction mutuelle entre les molécules d eau et l adhésion est l attraction des molécules d eau vis-à-vis d autres types de molécules, celles du papier dans ce cas. Différentes couleurs apparaitront à plusieurs distances du point de départ de montée de l eau car les molécules de ces couleurs ont des tailles, des formes et des solubilités différentes. Les molécules qui se dissolvent le mieux dans le solvant se déplaceront le long du papier plus facilement et plus rapidement et iront le plus loin. D autres molécules n ont pas la capacité à se déplacer aussi vite et sont laissées derrière. En utilisant du papier à chromatographie, les différentes couleurs apparaissent grâce à l encre noire et les pigments des feuilles peuvent être séparés et sont rendus visibles. Les pigments sont des éléments colorés qui absorbent la lumière. La quantité et la structure du pigment détermine ses variations de couleurs. Le pigment chlorophylle dans les feuilles aide à réaliser la photosynthèse en absorbant de la lumière du soleil l énergie nécessaire à unir le dioxyde de carbone et l eau afin de former du glucose ou de la nourriture. La chlorophylle donne aux plantes leur couleur verte et peut cacher d autres pigments présents dans les feuilles. La chlorophylle absorbe toutes les couleurs de la lumière visible sauf le vert, qu elle réfléchit de sorte qu il soit détecté par nos yeux. Si toutes les couleurs ou toutes les longueurs d ondes sont absorbées et aucune n est réfléchie, le pigment apparaît noir à nos yeux. A l inverse, si tous les pigments sont réfléchis, le pigment apparaît blanc à nos yeux. En automne, les feuilles des arbres à feuilles caduques subissent des changements avant de tomber définitivement de la branche. La chlorophylle s arrête et les feuilles changent de couleur lorsque l eau et la sève cessent de les irriguer. Au fur et à mesure que le vert s estompe, l orange du pigment carotène et le jaune du pigment xanthophylle apparaissent. Ces pigments se trouvent également dans des aliments tels que les carottes, les bananes et les jaunes d œufs. Le carotène et la xanthophylle sont des pigments secondaires qui participent au processus de photosynthèse en donnant l énergie qu ils ont absorbée de la lumière du soleil à la chlorophylle. D autres changements chimiques dans les feuilles stimulent la production des pigments d anthocyanine, qui donne les couleurs lumineuses rouge et violet. Ces pigments se trouvent également couramment dans des aliments tels que les betteraves, les pommes rouges, le raisin noir, et des fleurs telles que la violette ou l hyacinthe. Dans les fleurs, ces pigments se forment en automne à partir du glucose emprisonné. Différents mélanges de chlorophylle et d autres pigments présents dans les feuilles fournissent une grande variété de couleurs automnales. La couleur marron vient du tannin, un déchet amer. Il est essentiel de se rappeler que le pigment clé pour la photosynthèse est la chlorophylle, parce que l énergie qu elle absorbe de la lumière du soleil est utilisée directement pour la photosynthèse, alors que les autres pigments doivent d abord passer l énergie qu ils absorbent de la lumière du soleil à la chlorophylle. Les explorations qui suivent peuvent être menées par les étudiants, individuellement ou en groupe. Que faire et comment le faire Se préparer 1. Ecrire quelques mots avec un feutre noir (encre soluble à l eau, non Crayola) sur un morceau de papier blanc. Demandez aux étudiants de faire des observations. Combien de couleurs voient-ils? 2. Demandez aux étudiants s ils savent de quels pigments il s agit et quelle est leur fonction. 3. Demandez aux étudiants s ils pensent qu il peut y avoir d autres couleurs cachés dans le noir de l encre et ce qui les amène à penser cela. S ils ont des difficultés à répondre, vous pouvez leur demander de quelles couleurs ils pensent qu ils auraient besoin pour faire l encre GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 2 Science du système terrestre

3 noire du feutre. Ont-ils déjà essayé de mélanger différentes couleurs de peinture? Qu ont-ils observé? Débattez. 4. Demandez aux étudiants de quelle manière ils pourraient s y prendre pour déterminer s il oui ou non il y a d autres pigments que le noir dans l encre noire. 5. Demandez aux étudiants ce qu ils pensent qui arriverait si une goutte d encre noire était déposée sur une bande d un filtre à café en papier ou d une serviette en papier, puis que l extrémité de cette bande était placée dans l eau. Exploration 1 Activité d apprentissage d introduction pour les étudiants de niveau intermédiaire / avancé (Cette activité peut aussi être réalisée pour des étudiants de niveau débutants) Séparation des couleurs de l encre noire Faites réaliser les étapes suivantes aux étudiants, ou, si vous souhaitez gagner du temps, vous pouvez faire les étapes 1 à 4 à l avance pour les étudiants et n utiliser qu un type de stylo à encre soluble dans l eau. 1. Découpez plusieurs filtres à café en bandes (2 cm de large et 15 cm de long), une bande par feutre. 2. Etiquetez chaque feutre avec un numéro. 3. En utilisant un des feutres tests, déposez une goutte d encre proche du bord (à environ 1,5 2 cm du bord) de chaque bande. Utilisez un stylo pour numéroter les bandes de tests sur le haut de celles-ci avec le même numéro que le feutre utilisé pour cette bande. 4. Mettez de l eau (environ 2 cm de hauteur) dans un verre ou un récipient en plastique, également numéroté avec le même numéro que le stylo. Voir figure EA-P Scotchez l extrémité de la bande à un crayon. Ajustez la longueur de filtre papier en tournant le stylo sur lui-même de sorte que la tache d encre soit environ 1 cm au-dessus du niveau de l eau lorsque la bande de papier est placée dans l eau, suspendue au crayon placé sur chaque récipient (Si la goutte d encre est placée sous le niveau de l eau, l encre va déteindre dans l eau au lieu de se mouvoir le long de la bande). 6. Laissez l eau se mouvoir jusqu à environ les trois quarts de la hauteur de la bande et observez ce qu il advient de la goutte d encre. 7. Si l encre que vous utilisez ne se répand pas le long de la bande, refaites le test en utilisant de l alcool à la place de l eau pour solvant, sous l encadrement d un adulte. 8. Répétez ce procédé pour chaque bande marquée avec un feutre différent et comparez vos résultats. 9. Laissez les bandes sécher et scotchez-les à une feuille de papier comme enregistrement pour chaque type de feutre. 10. Examinez les bandes avec une loupe. Mesurez la distance jusqu à laquelle la/les couleur(s) se sont déplacées à partir de la goutte d encre (pour les étudiants plus âgés). Généralisation Demandez aux étudiants quelles sont leurs observations. Demandez aux étudiants pourquoi les autres couleurs n étaient pas visibles au début. Demandez leur ce qu ils pensent qu il s est passé. (Pourquoi certaines couleurs se sont déplacées plus haut le long de la bande par rapport à d autres? Qu est-ce que le résultat indique quant à la fabrication de l encre du/des feutre(s)?) Si vous avez utilisé des feutres différents, demandez-leur quelles sont les différences et similitudes dans les déplacements des couleurs et pourquoi ils pensent qu il en est ainsi. Comment se fait-il qu une fois toutes ces couleurs combinées dans l encre du feutre ou du marqueur, celle-ci semble noire à nos yeux? (Ne posez pas cette question si vous pensez qu elle n est pas adaptée au niveau de vos étudiants). Figure EA-P5-1 : Mise en place de la chromatographie papier GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 3 Science du système terrestre

4 Evaluation formative de l enquête d introduction Données du carnet de science Faites écrire et dessiner les étudiants sur les points suivants : Leurs observations (Qu est-il advenu de la goutte d encre lorsque l eau s est déplacée le long de la bande?). Pourquoi ils pensent que ce qu ils ont observé s est produit (Pourquoi certaines couleurs se sont déplacées plus haut le long de la bande par rapport à d autres?). Dans quelles mesures les modèles de déplacement des couleurs sont différents pour des bandes marquées avec des feutres différents et pourquoi il en est ainsi. Comment se fait-il qu une fois toutes ces couleurs combinées dans l encre du feutre ou du marqueur, celle-ci semble noire à nos yeux? (Ne posez pas cette question si vous pensez qu elle n est pas adaptée au niveau de vos étudiants). Check-list des compétences scientifiques Utilisez la check-list au cours de la leçon afin de répertorier les capacités des étudiants au cours du procédé scientifique. Se préparer pour la séparation des couleurs/pigments dans les feuilles 1. Découpez aux étudiants pourquoi les feuilles sont feuilles (Voyez s ils ont l idée de la chlorophylle, de la manière dont elle absorbe toute les couleurs ou longueurs d onde de la lumière visible sauf le vert qu elle réfléchit). 2. Découpez aux étudiants ce que l automne et les bananes peuvent avoir en commun. 3. Demandez aux étudiants s ils pensent qu il existe d autres pigments que la chlorophylle dans les feuilles. Pourquoi pensent-ils cela? Comment peuvent-ils le démontrer? Exploration 2 Séparer les couleurs dans les feuilles vertes avec la chromatographie Les feuilles vertes peuvent être issues d une végétation qui change fortement de couleur à l automne. Par exemple, les feuilles d érable deviennent jaune brillant à l automne alors que les feuilles de chêne blanc deviennent marron foncé. Ainsi, les feuilles d érable seraient un meilleur choix que le chêne blanc pour cette expérience. Et les feuilles de bouleau seraient un meilleur choix que les feuilles d aulne. Cependant les étudiants ne savent peut-être pas quelles feuilles changent fortement de couleur à l automne. Ils peuvent en apprendre autant s ils choisissent des feuilles vertes d une végétation quelconque. Demandez aux équipes d étudiants de suivre les étapes suivantes : 1. Récoltez 2-3 grandes feuilles vertes fraîches. Notez le lieu de la plante et, si vous la connaissez, l espèce de la plante. 2. Déchirez ou coupez les feuilles vertes en morceaux aussi petits que possibles. Mettez les morceaux de feuilles dans un verre ou un container en plastique. 3. Etiquetez les containers avec un numéro ou le nom de la feuille s il est connu ainsi que le lieu de la plante. 4. Ajoutez assez d alcool à 90 pour recouvrir les morceaux de feuilles. A l aide d une cuillère en plastique, mélanger avec précaution mais vigoureusement les feuilles dans l alcool (les feuilles peuvent également être écrasées avec un mortier et un pilon si vous en avez). Note de sécurité : L alcool isopropyl à 90 peut être dangereux s il est mal utilisé ou mal placé. Lisez et suivez soigneusement les consignes d utilisation inscrites sur la bouteille. Encadrez les étudiants avec attention. 5. Couvrez le récipient de manière très lâche avec un film plastique ou du papier d aluminium. Placez avec attention les récipients dans une casserole plate contenant 3-4 centimètres d eau chaude du robinet. Note de sécurité : L eau chaude à plus de 66 C peut rapidement causer de sévères brûlures. 6. Laissez les récipients dans la casserole pendant au-moins une demi-heure, plus longtemps si nécessaire, jusqu à ce que l alcool soit devenu coloré (plus il est foncé, mieux c est). Remuez chaque récipient doucement toutes les 5 minutes. Remplacez l eau chaude dans la casserole si elle refroidit. Les récipients couverts peuvent être laissés ainsi toute une nuit et être utilisés plus tard pour une chromatographie. 7. Découpez une longue bande fine (15 cm de long par 2 cm de large) de filtre à café en papier ou de papier à chromatographie pour chaque récipient et étiquetez-le avec un nom de feuille ou un code. 8. Retirez les récipients de la casserole et enlevez les couvercles. Scotchez la bande de papier filtre GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 4 Science du système terrestre

5 ou de papier à chromatographie à un crayon. Allongez le crayon sur le haut de chaque verre ou récipient en plastique. Ajustez la longueur de filtre papier en tournant le stylo sur lui-même de sorte que l extrémité de la bande de papier touche juste l alcool. L alcool va se déplacer le long de la bande de papier, embarquant les couleurs avec lui. 9. Après minutes (ou plus) ou après que l alcool ait atteint les trois quarts de la bande, les couleurs parcourront des distances différentes le long du papier. Différentes formes de verts, et peut-être également de jaunes, d orange ou de rouge, suivant le type de feuilles, pourront être observées sur le chromatogramme. Retirez la bande de papier et posez-la sur une serviette en papier pour la faire sécher, puis scotchez-la à du papier bien blanc. 10. Examinez les bandes avec une loupe. Mesurez les distances que chaque couleur a parcourues le long du papier. Conservez les bandes de papier pour comparer ces résultats avec ceux de l expérience suivante (Exploration 3). Généralisation 1. Demandez aux étudiants d écrire et de dessiner leurs observations, et de partager et débattre de leurs découvertes avec l ensemble du groupe. 2. Demandez leurs quelles peuvent être les raisons, d après eux, que certaines molécules se sont beaucoup déplacées et d autres peu? (Les molécules de couleurs de plus grande taille et ayant une adhérence plus élevée vont moins se déplacer que celles de petite taille et de plus faible adhérence). 3. Demandez aux étudiants ce qui, d après eux, peut être déduit en ce qui concerne les molécules des pigments présents sur la bande? (Les molécules des différents pigments présents sur la bande sont représentées par les couleurs visibles sur la bande : vert pour la chlorophylle, jaune pour la xanthophylle, orange pour le carotène). 4. Demandez aux étudiants ce qui peut-être déduit si le vert est la couleur dominante sur la bande (La chlorophylle est le pigment essentiel pour la photosynthèse qui donne la couleur verte. D autres pigments peuvent devenir majoritaire lorsque la quantité de chlorophylle diminue). 5. Demandez aux étudiants quels sont les pigments secondaires de la photosynthèse. S ils ne se souviennent plus, demandez-leur dans quelles mesures ils pensent que les feuilles sont similaires aux bananes ou aux jaunes d œufs. (Elles contiennent du carotène et de la xanthophylle qui leur donne la couleur orange/jaune) Si cela convient au niveau des étudiants, demandez-leur pourquoi certains pigments sont dits secondaires? (La chlorophylle est le pigment clé de la photosynthèse car il transfère directement l énergie lumineuse qu il absorbe pour la photosynthèse. La xanthophylle et le carotène, des exemples de pigments secondaires, doivent passer l énergie qu ils absorbent du soleil à la chlorophylle, et n ont pas une voie directe pour la photosynthèse.) Evaluation formative Données du carnet de science Faites écrire et dessiner les étudiants sur les points suivants : Leurs observations (Qu est-il advenu lorsque le mélange alcool/feuilles pilées s est déplacé le long de la bande de papier?). Pourquoi ils pensent que ce qu ils ont observé s est produit. Demandez aux étudiants de déduire quels pigments sont susceptibles d être présents dans les feuilles à partir des couleurs visibles sur la bande. Quels sont les pigments secondaires dans les feuilles et pourquoi pensent-ils qu ils sont importants? Check-list des compétences scientifiques Utilisez la check-list au cours de la leçon afin de répertorier les compétences des étudiants au cours du procédé scientifique. GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 5 Science du système terrestre

6 Etudier les pigments des feuilles Check-list des compétences scientifiques Critère Noms des étudiants Suit correctement les instructions et les étapes dans une procédure pour mettre e place une expérience et rassembler des informations Observe attentivement Note les données et les explications pour les observations et les expériences dans le carnet de science Identifie des similarités et des différences dans des schémas de séparation des couleurs Déduit des causes raisonnables pour des variations dans les données obtenues Participation orale et compréhension lors des discussions de généralisation et lors des mises en commun des idées GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 6 Science du système terrestre

7 Exploration 2 Séparer les couleurs dans les feuilles d automne avec la chromatographie Répétez les étapes 1 à 8 de l Exploration 2, en utilisant cette fois des feuilles qui ont changées de couleur. Vous pouvez avoir à attendre plus longtemps pour les étapes 4 et 7. Comparez les bandes avec celles obtenues à l Exploration 2. Ecrivez et dessinez leurs observations et leurs comparaisons, partagez et discutez-en avec l ensemble du groupe. Généralisation 1. Demandez aux étudiants ce qu ils ont observé lorsque le mélange alcool/feuilles pilées s est déplacé le long de la bande de papier filtre. Faites leur comparer les bandes de papier filtres ou les chromatogrammes à ceux de l Exploration 2. Demandez aux étudiants d écrire et de dessiner leurs observations, les similarités et les différences avec l Exploration 2, partager et discuter avec l ensemble du groupe. 2. Demandez leurs quelles peuvent être les raisons, d après eux, que certaines molécules se sont beaucoup déplacées et d autres peu? (Les molécules de couleurs de plus grande taille et ayant une adhérence plus élevée vont moins se déplacer que celles de petite taille et de plus faible adhérence si les solubilités sont identiques) 3. Demandez aux étudiants ce qui, d après eux, peut être déduit en ce qui concerne les molécules des pigments présents sur la bande? (Les molécules des différents pigments présents sur la bande sont représentées par les couleurs visibles sur la bande : vert pour la chlorophylle, jaune pour la xanthophylle, orange pour le carotène et rouge lumineux ou violet pour les anthocyanines). 4. Demandez aux étudiants ce qui peut-être déduit de la couleur dominante sur la bande (La chlorophylle est le pigment essentiel pour la photosynthèse qui donne la couleur verte. D autres pigments peuvent devenir majoritaire lorsque la quantité de chlorophylle diminue). 5. Demandez aux étudiants s ils savent quels sont les pigments secondaires de la photosynthèse. (La chlorophylle est le pigment de la photosynthèse. La xanthophylle et le carotène, des exemples de pigments secondaires, doivent passer l énergie qu ils absorbent du soleil à la chlorophylle, et n ont pas une voie directe pour la photosynthèse.) Evaluation formative Données du carnet de science Faites écrire et dessiner les étudiants sur les points suivants : Leurs observations (Qu est-il advenu lorsque le mélange alcool/feuilles pilées s est déplacé le long de la bande de papier?). Pourquoi ils pensent que ce qu ils ont observé s est produit. Demandez aux étudiants de déduire quels pigments sont susceptibles d être présents dans les feuilles à partir des couleurs visibles sur la bande. Quels sont les pigments secondaires dans les feuilles et pourquoi pensent-ils qu ils sont importants? Quelles sont les différences et les similarités dans les modèles de séparation des couleurs concernant les bandes avec les extraits des bandes issues des feuilles vertes et des feuilles qui ont changé de couleur. Check-list des compétences scientifiques Utilisez la check-list au cours de la leçon afin de répertorier les compétences des étudiants au cours du procédé scientifique. Evaluation finale Données du carnet de science Demandez aux étudiants de : 1) Débattre de leur compréhension de la chlorophylle et de son importance, 2) Débattre de leur compréhension des pigments et de leur importance, y compris pour les feuilles, et, 3) Dans quelles mesures leurs observations sontelles différentes pour les chromatographies issues des extraits de feuilles vertes et des extraits de feuilles qui ont changé de couleur (des feuilles qui ne sont plus vertes). GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 7 Science du système terrestre

8 Effectuer une expérience Demandez aux étudiants de mener leur propre enquête avec le matériel qui n a pas encore été utilisé, comme des stylos d encre de couleurs différentes, mélange de nourriture ou colorant pour gâteaux, pâtes colorées, bonbons colorés, ainsi que différents types de teintures naturelles et non-toxiques, en prédisant ce qu ils vont observer, en effectuant la chromatographie, et en notant leurs résultats et analyses. Utilisez la rubrique ci-dessous pour noter les données finales du carnet de science GLOBE et l expérience effectuée. Critère Insuffisant Assimilé Très bien - Exemplaire La discussion met La discussion met en évidence des en évidence une manques de bonne compréhension compréhension de la chromatographie à propos de la et de son importance chromatographie et de son importance Discussion sur la chromatographie et son importance La discussion met en évidence une bonne compréhension de la chromatographie et de son importance ainsi qu une capacité à l appliquer à de nouvelles situations Discussion sur les pigments et leur importance (y compris pour les feuilles) La discussion met en évidence des manques de compréhension à propos des pigments et de leur importance La discussion met en évidence une bonne compréhension des pigments et de leur importance pour la photosynthèse des feuilles La discussion met en évidence une bonne compréhension des pigments et de leur importance pour la photosynthèse des feuilles, ainsi qu une capacité à faire le lien avec la chimie des plantes en général GLOBE 2005 Activité d apprentissage : P5 : Etudier les pigments des feuilles - 8 Science du système terrestre