sciences de la vie et de la Terre

Une expérimentation originale pour traiter la partie "Complexité des relations entre gènes, phénotypes et environnement" du programme de première S

Afin de montrer qu'un même génotype peut conduire, en fonction des conditions de l'environnement, à des phénotypes différents.

Les élèves ont à leur disposition :

Un document d'appel :
Un ensemble de données expérimentales
Un texte d'accompagnement
Protocole et matériel

Remarque : Il s'agit ici d'un document de travail qui ne constitue d'aucune façon une fiche d'activité utilisable directement.
Chacun pourra la reformuler en fonction de ses objectifs pédagogiques et définir ses critères d'évaluation.

Un document d'appel :

- Des plants de vipérines si c'est l'époque
- Des plants séchés de vipérine, récoltés lors de la sortie de géologie par exemple, puis mis en herbier
- Des photographies de vipérines présentant des fleurs de différentes couleurs sur un même pied.
- Il est aussi possible d'utiliser les observations réalisées sur le terrain, lors de la sortie de géologie.
Il amorcera le dialogue initial qui permettra aux élèves de faire émerger la problématique. On retiendra, après discussion, comme problème à résoudre :

Comment expliquer l'origine de la couleur des fleurs de vipérine ?

Pied de vipérine (Echium vulgare)	Détail d'une tige fleurie
Image Pixabay	Image Pixabay

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Un ensemble de données expérimentales

Donnée n° 1 :
Une observation systématique des vipérines a permis de montrer que les plantes poussant sur les sols riches en ardoise, et donc acides, ont des fleurs roses ou mauves, tandis que celles qui poussent sur sols calcaires, plus basiques, ont des fleurs mauves ou bleues.

Donnée n° 2 :
La couleur des fleurs de vipérine est due à la présence de pigments spécifiques, les anthocyanes, dans les vacuoles des cellules. La couleur de ces dernières varie en particulier selon le degré d'ionisation d'un des atomes qui les constituent : la couleur rouge correspond à un état ionisé positif, la couleur bleue à un état ionisé négatif.

Donnée n° 3 :
Sur une même plante les jeunes fleurs sont roses ou mauves, tandis que les fleurs plus âgées sont bleues. Les analyses effectuées au niveau cellulaire ont montré que le pH intravacuolaire des jeunes fleurs de vipérine est faiblement acide tandis que celui des fleurs plus âgées est légèrement basique.

Cet ensemble de données permet de faire émettre par les élèves des hypothèses explicatives au problème posé. Il peut servir à entraîner les élèves à la mise en œuvre d'une démarche expérimentale rigoureuse.

Après discussion une des hypothèses fera l'objet d'un contrôle expérimental.

Par groupe et par écrit les élèves tenteront d'élaborer un protocole expérimental permettant de tester cette hypothèse à partir du matériel dont on dispose. Ils envisageront les résultats susceptibles d'être obtenus.

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Un texte accompagnant le protocole expérimental

Le chou rouge est un légume cultivé dont les cellules sont très riches en anthocyanes qui constituera un bon modèle expérimental. Il est possible de s'en procurer toute l'année.

Etude expérimentale :
- Suivre le protocole présenté par la fiche posée sur la table
- Mettre les tubes à essais dans le porte-tubes vide, dans l'ordre des lettres du tableau
- Dessiner le porte-tubes en reportant les couleurs du contenu des tubes obtenues par les différents groupes

Test de l'hypothèse :
- Confronter les résultats expérimentaux et l'hypothèse posée.

Une phase de bilan, de préférence sous forme d'un texte rédigé par les élèves, permettra de conclure sur le facteur environnemental dont dépend le phénotype macroscopique de la vipérine.

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Protocole expérimental

- Découper vingt grammes de feuille de chou rouge en petits fragments, les mettre dans un Becher de 250 mL.
- Recouvrir avec 100 mL l'eau à 80°C, laisser infuser 10 minutes.
- Préparer deux tubes à essais contenant chacun 5 mL d'une des solutions à pH donné, en suivant les consignes données au tableau. Repérer les tubes à l'aide de la lettre marquée sur le flacon contenant la solution employée.
- Déterminer le pH de chacune des solutions à l'aide du papier pH ( "méthode à la touche"), puis vérifier le résultat auprès du professeur.
- Filtrer le contenu du Becher au dessus d'un autre Becher et mettre à refroidir 5 minutes dans la glace.
- Verser 1 mL de l'extrait refroidi dans chacun des tubes à essais, noter la couleur.

Matériel nécessaire : Les données correspondent à huit groupes d'élèves

La veille
Acheter un chou rouge
Préparer 50 mL de chacune des solutions suivantes :
A l'aide d'une solution d'acide chlorhydrique : pH 1 ; pH 2 ; pH 3 ; pH 5
A l'aide d'eau pure : pH 7
A l'aide d'une solution de soude : pH 9 ; pH 11 ; pH 14
Mettre chacune des solutions dans un erlemeyer étiqueté de A (pour pH 1) à H (pour pH 14).
Piler de la glace

Le jour du TP
1. Mettre dans le fond de la salle
Les solutions à pH défini, munies chacune d'une pipette de 5 mL et d'une propipette
Un rouleau de sopalin
Deux essuie-mains et deux flacons de savon à mains
Un litre et demi d'eau bouillante (elle refroidira un peu en début de séance), une louche pour la prélever sans se brûler et un entonnoir résistant à la chaleur
Trois porte-tubes vides

2. Mettre par groupe
Un porte-tubes avec deux tubes à essais portant chacun une étiquette
Une pipette de 1 mL et une propipette
Une pince en bois
Un bouchon pour les tubes à essais
Vingt grammes de feuilles de chou rouge
Une paire de gros ciseaux
Une paire de ciseaux fins
Une paire de pinces
Une assiette
Un Becher en verre de 250 mL
Un Becher en plastique de 250 mL
Une éprouvette en verre contenant au moins 100 mL
Un agitateur
Une passoire fine
Un rouleau de papier pH
Un bac contenant de la glace (assez grand pour y mettre le Becher en plastique)

A la récréation
Renouveler le chou, toute la verrerie et la glace des bacs
Remettre un litre et demi d'eau bouillante

Remarques :
- Telle qu'elle est présentée cette activité dure une heure (il sera préférable d'avoir problématisé la situation au préalable). En fonction du nombre de groupes de TP, il est possible de préparer un nombre supérieur de solutions test (prendre plutôt des pH intermédiaires acides qui génèrent des colorations plus variées).
- La confection de deux tubes par groupe permet à chaque élève de manipuler. Elle permet aussi de limiter les résultats erronés dus à une mauvaise lecture des consignes. L'échange de résultats permet un entraînement très utile à la mutualisation.
- De plus chaque élève peut être évalué après avoir précisément défini les critères d'évaluation avec la classe.
- C'est un TP très démonstratif et peu coûteux.
- A pH basique, les anthocyanes deviennent vertes puis jaunes. Dans les conditions physiologiques normales de la vacuole elles sont violettes, ce qui correspond à un pH de 7.

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