À propos de cette expérience
Pourquoi les cellules sont-elles si petites, et pourquoi un éléphant n’est-il pas simplement une seule cellule géante ? Tout ce dont une cellule a besoin, comme l’oxygène et le glucose, doit pénétrer par sa surface, mais la quantité nécessaire dépend de son volume. À mesure qu’une cellule grandit, son volume augmente plus vite que sa surface. Faites tremper des cubes d’agar de différentes tailles dans de l’acide et observez la couleur rose disparaître de l’extérieur vers l’intérieur, puis modifiez la taille et la forme d’une cellule pour voir à quel moment sa surface ne suffit plus.
Objectifs pédagogiques
- Calcule l’aire de surface, le volume et le rapport entre l’aire de surface et le volume d’un cube
- Explique pourquoi le rapport entre l’aire de surface et le volume diminue à mesure qu’un objet grandit
- Explique pourquoi la diffusion seule ne peut alimenter que de petites cellules et de petits organismes
- Décrivez comment des formes aplaties et longues et fines augmentent le rapport entre la surface et le volume
- Reliez ces idées à des adaptations telles que les villosités, les alvéoles, les poils absorbants et les globules rouges
Comment l’utiliser
- 1Lancez les cubes d’agar. Quel cube perd complètement sa couleur rose en premier ? Relevez les temps.
- 2Comparez les tableaux. Le cube de 3 cm a un volume 27 fois supérieur à celui du cube de 1 cm. Combien de fois sa surface est-elle plus grande ?
- 3Mettez en pause à 8 minutes et relevez la proportion de chaque cube atteinte par l’acide. Expliquez le schéma à l’aide du rapport entre la surface et le volume.
- 4Le cube de 2 cm est deux fois plus large que le cube de 1 cm. Combien de temps de plus faut-il pour le décolorer complètement ?
- 5Passez à « Formes cellulaires ». Agrandissez la sphère jusqu’à ce qu’elle ne soit plus viable. Quelle taille peut-elle atteindre ?
- 6Gardez le même volume et essayez le disque plat et la tige longue. Quelles formes permettent encore à une grande cellule de recevoir suffisamment de ressources ?
Le modèle
Hypothèses
- L’acide diffuse dans l’agar avec un coefficient de diffusion effectif de 1,0 × 10⁻⁸ m²/s, choisi pour qu’un cube de 1 cm de côté se décolore en environ 8 minutes, comme dans une expérience scolaire typique.
- L’indicateur change de couleur là où l’acide atteint la moitié de sa concentration extérieure. La concentration de l’acide à l’extérieur du cube reste constante.
- Dans le modèle cellulaire, l’oxygène entre au même débit à travers chaque micromètre carré de membrane, et chaque micromètre cube le consomme au même débit.
- Le disque plat a une épaisseur égale au cinquième de sa largeur ; la tige est dix fois plus longue que large.
À essayer en classe
- Q1Détermine le rapport entre la surface et le volume de cubes dont les côtés mesurent 1 cm, 2 cm et 4 cm. Décris le schéma observé.
- Q2Un cube de 1 cm de côté se décolore en 8 minutes. Estime le temps nécessaire à un cube de 4 cm de côté et explique ton raisonnement.
- Q3Pourquoi les grands animaux ont-ils besoin de poumons, de branchies et d’un système circulatoire, alors qu’une amibe unicellulaire n’en a pas besoin ?
- Q4Les globules rouges sont des disques aplatis. Comment cette forme les aide-t-elle à remplir leur fonction ?
- Q5Pourquoi les éléphants ont-ils de si grandes oreilles fines ?
Foire aux questions
Comment réaliser l’expérience réelle ?
Prépare de l’agar avec un peu d’hydroxyde de sodium et de phénolphtaléine afin qu’il prenne et devienne rose. Découpe des cubes de 1, 2 et 3 cm, place-les dans de l’acide chlorhydrique dilué et chronomètre le temps nécessaire à chacun pour se décolorer. Porte une protection oculaire.
Pourquoi le temps est-il multiplié par quatre lorsque la taille double ?
La diffusion se propage comme une marche aléatoire. Pour parcourir une distance deux fois plus grande, une molécule a besoin d’environ quatre fois plus de temps, car la distance parcourue augmente comme la racine carrée du temps.
Toutes les cellules ont-elles la même limite de taille ?
Non. Cette limite dépend de la vitesse à laquelle la cellule utilise les substances et de la vitesse à laquelle elles peuvent traverser la membrane. Certaines cellules, comme les cellules nerveuses et les ovules, sont énormes parce qu’elles sont longues et fines, ou parce qu’elles stockent des réserves alimentaires et consomment peu d’oxygène.