Chapitre 3 L organisme en activité Les options pédagogiques du chapitre Dans ce premier chapitre de la partie «Fonctionnement de l'organisme et besoin en énergie», nous présentons succinctement les modifications pouvant être enregistrées dans l'organisme au cours d'un effort (activité 1). Dans les deux activités suivantes, on se place à l'échelle de l'organe, pour comprendre d'abord quels sont les échanges réalisés et comment le sang permet de les satisfaire (activité 2), puis comparer ces résultats pendant l'activité pour constater que les échanges, comme l'irrigation des organes, sont augmentés (activité 3). Enfin, on termine en mettant en relation l'activité des organes et la dépense d'énergie (activité 4). Ainsi, dans ce chapitre, on découvre que les organes réalisent des échanges avec le sang, ce qui permet de poser les problèmes concernant l'origine du dioxygène (chapitre 4) et des nutriments (chapitre 5), ainsi que les modalités permettant au sang d'apporter les éléments dont l organe a besoin et de le débarrasser de ses déchets (chapitre 6). Les notions acquises ici seront donc réinvesties et serviront à poser les problèmes traités dans les autres chapitres de cette partie. 17
Les activités du chapitre Activité 1 Des changements liés à l activité physique Avec cette activité, on présente les modifications les plus simples à mesurer au cours d'un effort : travail des muscles (doc. 1), variation des rythmes cardiaque (doc. 2) et respiratoire (doc. 3), élévation de la température corporelle (doc. 4). Ces manifestations sont facilement enregistrables sur l'élève lui-même, en comparant, par exemple, avant et après une série de flexions. La notion d'énergie est elle aussi présentée, les élèves sachant déjà que la réalisation d'un effort nécessite la consommation d'aliments en quantité suffisante, aliments parfois même très spécifiques chez le sportif (doc. 5). ( Réponses aux questions pour résoudre le problème 1. Les organes mis en action lors de l effort physique sont les muscles. 2. Au cours de l effort, le rythme cardiaque s accélère. De même, le rythme respiratoire s accélère et le volume d air inspiré et expiré à chaque respiration augmente. 3. Le cœur et les poumons modifient leur fonctionnement en même temps que les muscles. 4. La température corporelle augmente pendant l effort. 5. Le sportif choisit ce type d aliments avant un effort car ils lui fournissent de l énergie (voir l étiquette). Pendant l effort, le rythme cardiaque, le rythme respiratoire et la température corporelle augmentent. Activité 2 Des échanges entre les organes et le sang Dans cette activité, on passe à l'échelle de l'organe. Si les élèves connaissent les besoins de l'organisme en dioxygène et en nutriments, peu d'entre eux savent que cela permet de nourrir les organes. Puisque l'activité 1 a permis de montrer que, pendant l'effort, d'une part des organes travaillent (les muscles) et que d'autre part les besoins sont augmentés, alors on peut poser le problème de la relation entre ces besoins et les organes : ceux-ci «respirent» -ils (première partie de l activité)? ceux-ci se «nourrissent» -ils (deuxième partie de l activité)? Les documents 1 à 5 permettent de répondre à ces questions. La dernière partie de l activité, enfin, permet de comprendre comment le muscle peut recevoir le dioxygène et les nutriments et comment le dioxyde de carbone produit est évacué. La vascularisation d'un muscle (doc. 6), puis l'analyse du sang entrant et sortant (doc. 7), montrent bien le rôle fondamental du sang. 18 Chapitre 3
( Réponses aux questions pour résoudre le problème 1. La teneur en dioxygène diminue en présence du muscle. 2. L eau de chaux est troublée en fin d expérience, mettant ainsi en évidence une production de dioxyde de carbone par le muscle. 3. Le muscle consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone. 4. Le glucose est consommé par les organes. 5. La quantité de glucose diminue avec le temps en présence du muscle. Celui-ci a donc consommé du glucose. 6. Le sang quittant le muscle contient moins de glucose et de dioxygène que le sang entrant, mais plus de dioxyde de carbone. 7. Le sang fournit au muscle du glucose et du dioxygène et récupère le dioxyde de carbone produit par son travail. Les organes ont besoin de prélever du dioxygène et des nutriments dans le sang. Ils y rejettent des déchets, comme le dioxyde de carbone. Activité 3 Des échanges variables selon l activité Après avoir étudié les échanges réalisés en permanence par les organes, on s'intéresse maintenant à ceux-ci lorsque l'activité est variable. On commence par la quantité de glycogène présent dans le muscle, avant et après un effort, ce qui permet de mettre en évidence une consommation (doc. 1). Puis on s'intéresse à la respiration du muscle (doc. 2). On déduit de ces deux documents que les besoins augmentent avec l'activité. Et pour les autres organes? Les mêmes paramètres sont comparés pour le cerveau (doc. 3). Le document permet ainsi de montrer que tous les organes sont actifs, au repos comme à l'effort. Dans la deuxième partie de l'activité, on s'intéresse à l'irrigation des organes au cours d'une variation de l'activité. On reprend l'exemple du cerveau (doc. 4), puis celui des organes de l'effort (doc. 5). Le constat est le même : les organes en activité reçoivent plus de sang que lorsqu'ils sont au repos. Cela permet de comprendre comment ils peuvent consommer plus de nutriments et de dioxygène. ( Réponses aux questions pour résoudre le problème 1. Après l effort, la coloration est moins foncée. La quantité de glucides présente dans le muscle est donc plus faible après l effort qu au repos. Le muscle a donc consommé des glucides au cours de l effort. 2. Plus l effort est important, plus le muscle consomme de dioxygène et rejette de dioxyde de carbone. 3. La consommation de dioxygène et de glucose du cerveau d une part, le rejet de dioxyde de carbone d autre part, sont supérieurs lorsque le cerveau est en activité. 4. Les besoins du cerveau et du muscle augmentent avec l activité. 5. Une augmentation de l activité du cerveau entraîne une augmentation du débit sanguin. 6. Au cours de l effort, le débit sanguin dans les muscles, le cœur et les poumons augmente. Quand l activité augmente, les apports de dioxygène et de nutriments augmentent grâce à une augmentation du débit sanguin. L organisme en activité 19
Activité 4 Activité et énergie libérée Cette dernière activité du chapitre doit permettre de comprendre que l'activité est liée à la dépense d'énergie. Pour que l'élève puisse saisir cette notion abstraite, on peut s'appuyer sur les connaissances intuitives de l'élève en lui demandant de citer quelques expressions concernant l'énergie : «sois plus énergique», «tu manques d'énergie», «de l'énergie!» autant d'exemples donnant à penser que l'activité est liée à l'énergie. On commence par montrer que celle-ci est une grandeur mesurable (doc. 1) et qu'elle varie avec l'activité (doc. 2). On montre ensuite qu'une partie de cette énergie est libérée sous forme de chaleur (doc. 3). Reste maintenant à découvrir d'où vient cette énergie. La thermographie, qui permet de voir à l'intérieur du corps, est un premier moyen de comprendre que ce sont nos organes qui libèrent de l'énergie (doc. 4). Une analogie avec un véhicule à moteur (doc. 5), puis un schéma (doc. 6), permettent de récapituler les conditions de libération de l'énergie. ( Réponses aux questions pour résoudre le problème 1. La dépense d énergie augmente avec l intensité de l effort. 2. La température corporelle augmente avec l intensité de l effort. 3. Les muscles des bras ont la température la plus élevée. Ils dégagent donc le plus d énergie. 4. Le dioxygène et les nutriments sont nécessaires à la libération d énergie. 5. Le dioxyde de carbone est un déchet résultant de l activité des organes. Le glucose et le dioxygène sont utilisés par les organes pour libérer de l énergie nécessaire à leur fonctionnement. Corrigé des exercices Teste tes connaissances 1 2 3 a) Le sang apporte du dioxygène et des nutriments aux organes. b) Le dioxygène et les nutriments sont utilisés pour libérer de l énergie. c) Au cours de l activité, la consommation de dioxygène du muscle augmente. Les réponses a) et b) sont justes. Le mot caché est : «énergie». Les termes de la grille sont : a) sang b) nutriment c) glucose d) activité e) respiration Découvre avec l informatique 4 a) et b) Temps (en min) 15 30 45 60 Teneur en glucose +++ ++ + 0 20 Chapitre 3
c) La teneur en glucose dans le milieu diminue au cours du temps. d) Le muscle de bœuf consomme du glucose. e) Le montage témoin consiste à réaliser les mêmes mesures sans muscle dans l'enceinte. Applique tes connaissances 5 a) Organe muscle rein rate cerveau os Dioxygène consommé pendant 24 heures 210 150 = 60 ml 210 163 = 47 ml 210 173 = 37 ml 210 155 = 55 ml 210 183 = 27 ml b) Chaque organe a consommé du dioxygène, d où la différence constatée. c) Tous les organes consomment du dioxygène, même au repos. d) L organisme prélève du dioxygène dans son milieu pour satisfaire les besoins de ses organes. 6 7 8 a) Teneur en glucose du sang arrivant au muscle au repos : 0,9 g/l. Teneur en glucose du sang repartant du muscle au repos : 0,8 g/l. b) Teneur en glucose du sang arrivant au muscle pendant l effort maximal : 0,8 g/l. Teneur en glucose du sang repartant du muscle pendant l effort maximal : 0,4 g/l. c) Consommation de glucose par le muscle au repos : 0,9 0,8 = 0,1 g/l. Consommation de glucose par le muscle pendant l effort maximal : 0,8 0,4 = 0,4 g/l. d) Le muscle consomme plus de glucose pendant l effort qu au repos car le glucose lui permet de libérer de l énergie. a) La dépense énergétique augmente avec l activité. b) La consommation de dioxygène augmente aussi avec l activité. c) L organisme libère de l énergie en utilisant du dioxygène. Lorsque la dépense énergétique augmente, la consommation de dioxygène augmente donc pour libérer plus d énergie. a) La température, constante avant l arrivée des élèves (période 1), augmente en présence des élèves (période 2), puis diminue après leur départ (période 3). b) Les variations de température semblent liées à la présence des élèves. c) Les résultats du deuxième jour sont identiques à ceux du premier jour et confirment l hypothèse. d) La salle, à l écart et orientée à l ouest, est choisie afin qu il n y ait pas de sources de chaleur extérieure et que l élévation de température liée à l ensoleillement soit limitée. On décale la présence des élèves le deuxième jour pour pouvoir comparer l évolution de la température avec et sans élèves dans les tranches horaires 8 heures 10 heures et 10 heures 12 heures. e) L organisme des élèves libère de l énergie sous forme de chaleur (même en classe!). L organisme en activité 21