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En classe de seconde
Objectif pour l’enseignant : poursuivre l’apprentissage de l’abstraction et passer d’un niveau à un autre dans la représentation des phénomènes ; « Quand cela est possible, on s’efforce de souligner la complémentarité qui peut être apportée par d’autres disciplines, notamment la physique et la chimie » ; « ...En particulier, définir des niveaux d’organisation, afin d’en percevoir la complexité » (Programmes 2000).
Ce niveau fait basculer l’intérêt pédagogique de l’écosystème artificiel :
- en collège, l’attention s’est portée plutôt sur le cosmonaute, l’humain, dont les besoins respiratoires d’abord, alimentaires ensuite doivent être satisfaits par un micro-organisme chlorophyllien, par exemple ;
- en seconde et au-delà, la fonction photosynthétique prend autant d’importance pour l’être unicellulaire qui la contient que pour les êtres hétérotrophes qui en dépendent. Enfermés dans leur capsule spatiale, les deux acteurs y sont présents à égalité de statut. L’un apporte à l’autre ce dont il a besoin : idée de cycle sous-jacente.
« Cellule, ADN et unité du Vivant »
Intention de l’enseignant : faire accepter par l’élève l’idée-outil que toute cellule se construit à partir d’atomes, idée qui s’oppose aux obstacles (« Il n’est pas possible de se représenter des phénomènes du vivant et c’est tellement petit que les yeux ne m’y aident pas. »).
- Désormais, la Cyanobactérie est, dans nos laboratoires, remplacée par un être eucaryote planctonique. Mais le choix de cet être ne doit pas faire éliminer par le professeur l’exemple du photobioréacteur de l’Agence spatiale européenne, contenant des Spirulines et embarqué dans la station spatiale. Au-delà de cette différence, il peut être intéressant de rappeler que les Spirulines qui seront installées et consommées sur Mars seront les filles innombrables et exactement semblables de celles qui y sont allées. Et la présentation du photobioréacteur présent dans la salle de TP, en ExAO, peut aider à comprendre celui qui sera utilisé par les résidents des planètes extra-terrestres, aux dimensions et systèmes de contrôles près.
- La mesure de la production de dioxygène par l’expérimentation assistée par ordinateur rappellera les connaissances établies en cinquième : les cellules photosynthétiques produisent d’autant plus de dioxygène qu’elles sont davantage éclairées, jusqu’à saturation des systèmes biochimiques :
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- cette production de dioxygène peut être rappelée en constatant la nécessaire présence de ces cellules photosynthétiques pour la survie du cosmonaute dans la capsule spatiale (expérience témoin qui ne sera pas réalisée) ;
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- cette production de dioxygène peut être directement corrélée à l’absorption de dioxyde de carbone. En effet, la nécessaire présence du dioxyde de carbone est aisément démontrée par l’absence de multiplication des cellules photosynthétiques dès lors que le cosmonaute est absent de la capsule. Elles se maintiennent seulement en vie (autre expérience témoin).
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- Chaque cellule de Spiruline absorbe et consomme le dioxyde de carbone, l’eau et des ions minéraux. Dans le même temps et à partir de molécules minérales, elle produit des molécules organiques : c’est une cellule autotrophe qui ne dépend pas d’un autre être vivant pour ses molécules organiques ni comme source d’atomes.
- Le cosmonaute absorbe du dioxygène que chacune de ses cellules consomme. Dans le même temps, il consomme les Spirulines produites en excès dans le photobioréacteur : c’est un être hétérotrophe qui trouve ses molécules organiques dans la consommation d’un autre être vivant.
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Tous les êtres vivants ont donc besoin d’une source de molécules organiques.
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En tout cas, cette situation permet à l’enseignant d’attaquer un des obstacles importants que beaucoup d’élèves n’ont toujours pas franchi en classes terminales : le dioxyde de carbone, à l’état gazeux, non seulement n’est pas toxique mais il peut être un aliment pour certains êtres vivants chlorophylliens.
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- Enfermés dans leur capsule spatiale, êtres autotrophes et hétérotrophes survivent et reproduisent de nouvelles molécules et cellules par complémentarité de besoins et de rejets de déchets. Il y a coopération.
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Là encore, cette complémentarité bien comprise donne un nouvel éclairage aux relations déjà établies à la surface de la Terre, dans l’écosystème global : ce sont toujours les mêmes atomes (de carbone, par exemple) qui sont utilisés par l’un puis par l’autre des êtres vivants enfermés. De plus, leur localisation successive constitue un (ou des) cycle(s) de matière, le cycle du carbone par exemple. D’ailleurs, la construction de ce cycle simplifié, dans la capsule, constitue un moyen supplémentaire pour donner de la matérialité aux gaz, matérialité qui est à consolider après avoir été appréhendée en classe de cinquième.
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En conséquence, la capsule spatiale est bien un modèle exact, même s’il est réduit, des relations de complémentarité et de dépendance entre les êtres vivants terrestres. C’est bien un micro-écosystème et la Terre est bien un système clos, seulement ouvert à l’énergie lumineuse et à un apport météoritique faible par rapport à la masse de la planète. Et ces constats nous suggèrent un passage à un niveau global.
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La planète Terre et son environnement
Intention de l’enseignant : l’élève doit se représenter mentalement (en fermant les yeux) lui-même présent dans l’environnement terrestre. Il s’agit alors de s’opposer à l’obstacle : « C’est tellement grand qu’il s’agit de quelque chose qui m’est étranger. »
La présentation en classe de la capsule spatiale favorise un apprentissage de la construction d’un modèle terrestre et aide l’élève à se construire une représentation « englobant » la Terre. En d’autres termes, l’élève est convié à changer d’échelle en changeant mentalement de « niveaux d’organisation », attitude qu’il a aussi à prendre avec le chapitre précédemment abordé. C’est que l’élève pense le plus souvent et seulement avec ses informations sensorielles et plus rarement, abstraitement, en fermant les yeux. Ce faisant, il n’atteint pas souvent le niveau d’abstraction souhaité par le professeur. En revanche, s’il est aidé par un objet matériel – la capsule spatiale – dans lequel ont lieu des événements mentalement représentables, il peut aisément en extraire les points communs avec la biosphère et élargir ainsi sa pensée vers l’écosystème global.
D’autre part, dans cette capsule spatiale, le volume et la concentration des gaz doivent rester constants, ce que l’élève peut comprendre aisément. Donc, tout rejet excessif de dioxyde de carbone, par exemple, par une activité biologique doit être compensé exactement par un mécanisme d’absorption, biologique ou non : il existe donc des mécanismes de réglage de la concentration des gaz, dans la capsule, qui maintiennent un équilibre dynamique constamment remis en question. Et l’on peut en tirer deux conséquences conformes aux programmes :
- dans une station spatiale encore inhabitée et dont l’atmosphère est enrichie en dioxyde de carbone (et en eau), c’est la Cyanobactérie éclairée qui pourra y être introduite et y vivre la première, le cosmonaute n’entrant dans la sphère que lorsque l’oxygène aura atteint une teneur compatible avec sa vie. On peut aisément voir là une manière de faire comprendre « l’évolution historique de la composition de l’atmosphère » ;
- de même, si la teneur en dioxyde de carbone augmente inopinément, lors d’une plus forte activité des cosmonautes, par exemple, davantage de lumière devra être délivrée pour activer la photosynthèse des Spirulines, ce qui entraînera un accroissement de la fixation du dioxyde de carbone et une réduction de sa teneur dans l’atmosphère de la capsule.
De même, à l’échelle terrestre, l’augmentation régulière de la teneur en dioxyde de carbone de l’atmosphère est un fait établi. Mais la valeur de cette croissance est insuffisante pour rendre compte de la masse totale des rejets annuels de ce gaz. Il est alors aisé de prévoir l’existence de mécanismes (voir aussi « L’entretien ») de fixation ou « puits » : les êtres vivants chlorophylliens, fixateurs de dioxyde de carbone par la photosynthèse, constituant certains de ces puits.
En classe de terminale S, spécialité biologie
Objectif de l’enseignant : quand les mécanismes biochimiques établissent un pont entre aliments minéraux modélisés (molécules) et concept d’écosystème. Le préambule des instructions (commentaire provisoire) demande de rappeler certains termes : écosystème, cycle du carbone, autotrophie, hétérotrophie, producteurs primaires et secondaires, états oxydé et réduit du dioxyde de carbone, respiration, photosynthèse...
Là encore, l’expérience Biorat peut être présentée et décrite en introduction du cours (en s’inspirant de la « Présentation » du dossier puis de l’« Approfondissement ») car tous ces termes sont présents et prennent du sens, un sens qu’il n’est pas difficile de saisir pour l’élève tant la situation matérielle y est claire : chacun des deux types d’êtres vivants a matériellement et vitalement besoin de l’autre. Et c’est bien ce qu’il faut rappeler à l’élève puisque sa classe de seconde est déjà éloignée.
Le projet MELiSSA y trouve d’autant plus sa place qu’il est demandé à ce niveau d’enseignement qu’on fasse comprendre certains points du cycle de la matière : « écosystème dit à l’équilibre » à la fois producteur et « consommateur-décomposeur » de matière organique, les activités métaboliques contribuant à la « production d’O2/consommation de CO2 » sont en quasi-équilibre avec celles de la « production de CO2/consommation d’O2 »... Au bilan, la photosynthèse apparaît donc comme « une voie d’entrée du carbone oxydé et de l’énergie solaire dans la biosphère ». Or, l’équilibre dans les débits des deux principaux gaz (production/consommation) est bien le problème majeur abordé dans le projet Biorat et une analyse des graphiques (voir « Approfondissement ») des mesures le montre aisément.
Et l’approche des mécanismes biochimiques au niveau cellulaire ne réduit pas l’intérêt de notre proposition, même si « on ne se limite qu’au cas des végétaux supérieurs verts », puisqu’elle prend aussi en compte la complémentarité des organites chloroplastes/mitochondries. L’activité physique du cosmonaute (et de ses cellules musculaires – consommation d’ATP) est en effet largement prise en compte dans la mise au point des systèmes de régulation de la station spatiale, puisqu’ils doivent faire face à des variations du besoin en dioxygène !
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