La respiration du muscle frais de Coquille Saint Jacques en ExAO

Ce document a été conçu, courant 2012, par un groupe de formateurs en ExAO de l’académie de Versailles à destination des collègues de collège qui recherchent des pratiques pédagogiques pour mettre en évidence la respiration au niveau d’un muscle en classe de 5ème.
Nous présentons ici l’intégralité de la réflexion du groupe sur les problématiques liées aux modalités de l’expérimentation, aux choix pédagogiques et aux différents matériels actuels et récents, traditionnellement utilisés en collège. Nous espérons que ce document, issu d’un travail collaboratif, permettra de faciliter la mise en œuvre d’une expérimentation pour enfin pouvoir visualiser la respiration d’un muscle.
Vos remarques et questions éventuelles sont les bienvenues et seront prises en compte avec attention pour améliorer ce document.
Le groupe ExAO : Olivier ARCAMONE, Amélie CHEVAL, Florence CHIRON, Frédéric CHUARD.

I – Compétences travaillées durant la séance en référence aux programmes officiels

Extraits du programme de cinquième : BO spécial n°6 du 28 août 2008

Connaissances Capacités déclinées dans une situation d’apprentissage
La production d’énergie nécessaire au fonctionnement des organes

Les organes effectuent en permanence des échanges avec le sang :
ils y prélèvent des nutriments et du dioxygène ;
ils y rejettent des déchets dont le dioxyde de carbone.
La consommation de nutriments et de dioxygène, le rejet de dioxyde de carbone par les organes varient selon leur activité, cela s’accompagne de modifications au niveau de l’organisme (augmentation de la température, des rythmes cardiaque et respiratoire).
Suivre un protocole pour mettre en évidence l’absorption de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone au niveau d’un organe.
Observer, recenser des informations montrant des variations de débit sanguin selon l’activité d’un organe.

II – Intérêts de l’activité

L’utilisation de l’ExAO permet de travailler sur du matériel concret et vivant. L’activité peut être réalisée soit en démonstration, soit par groupe si le collège dispose de plusieurs consoles ExAO.

III – Principe et perspectives méthodologiques

Les élèves ont constaté que le rythme respiratoire augmente au cours des activités musculaires et, si le chapitre "Respiration et occupation des milieux de vie" a été traité, ils savent aussi que la respiration consiste à prélever du dioxygène et à rejeter du dioxyde de carbone.
Ils peuvent donc proposer l’hypothèse suivante : "On suppose que les organes respirent".

Pour mettre en évidence que les organes respirent, la seule solution est d’utiliser un dispositif ExAO.

En ce qui concerne la méthode utilisée plusieurs solutions ont été envisagées avec des muscles frais de différentes espèces : crabe, éperlan et coquille Saint-Jacques.

  • Le crabe vivant a donné des résultats corrects la plupart du temps, mais nous avons rencontré des problèmes de reproductibilité, et il est difficile d’extraire les muscles des pinces pour en obtenir une quantité acceptable.
  • Pour l’éperlan vivant se pose le problème de la récupération du muscle en tuant un vertébré, et de plus les résultats n’ont été que peu concluants.
  • Le choix final a donc été le muscle de coquille Saint-Jacques, fraîchement prélevé de sa coquille. Ici la manipulation est simple, elle donne de bons résultats et est facilement reproductible.

Remarque :
Nous n’avons pas utilisé de muscle issu d’un animal mort depuis plus de quelques heures (acheté en boucherie par exemple), car d’une part le muscle peut ne plus respirer et d’autre part on risque de mesurer l’activité respiratoire liée au développement de bactéries.

IV – Protocole expérimental

Le TP s’articule autour de la mesure de la respiration du muscle, deux protocoles peuvent être envisagés :

- Un premier où l’on mesure l’évolution de la quantité de dioxygène uniquement.
- Un second où l’on mesure à la fois l’évolution de la quantité de dioxygène mais aussi celle de dioxyde de carbone, cas plus rare compte tenu de l’équipement des collèges en matériel ExAO développé dans la partie "pour aller plus loin".

L’utilisation de l’ExAO dépend de votre matériel. Les protocoles proposés ici ont été réalisés avec du matériel Jeulin essentiellement, qui après sondage académique, semble largement le plus répandu en collège. Cependant vous pouvez envisager de réaliser cela avec un autre type de matériel.

Jeulin VTT et atelier scientifique généralisteJeulin Tooxy et logiciel dédié

Jeulin VTT et atelier scientifique généraliste

- Matériel  :

  • Une coquille Saint Jacques fraîche : elle doit être vivante donc il faut la prendre dans sa coquille.
    Remarque  : Le coût de revient est d’environ 1,50 euro.
  • De l’eau salée à 35g/L pour servir de liquide physiologique pour le muscle (Eau du robinet et sel de table suffisent).
  • Enceinte respiration animale de 250ml (16€ chez Jeulin) avec les ouvertures pour la sonde O2 (ou un pot de yaourt de 200 mL environ avec un couvercle hermétique dans lequel vous avez percé un trou pour la sonde).
    -enceinte
  • Agitateur magnétique pour homogénéisation de l’eau

Fonctionne moins bien sans agitation

  • Logiciel : atelier scientifique V. 4 utiliser le généraliste indiqué par cette icone
    2-g
  • Sonde O2 Jeulin FO9020
    3-adaptateur O2

    avec le capteur VTT associé

    4-sonde O2

-  Préparation de la coquille :

  • Ouvrir la coquille à l’aide d’un couteau en coupant le muscle au scalpel : prélever uniquement le muscle blanc une fois que la coquille est ouverte.
    5-coquille
  • Couper le muscle au ciseau fin en petits morceaux : on obtient environ 20 g de muscle.

- Protocole de l’expérimentation :

  • Préparer la sonde O2, 15 min dans l’eau
6-pr
  • Récupérer 20g de muscle dans l’enceinte de 200 ml remplie à ras bord d’eau salée pour éviter les bulles d’air.
    7-pr
  • Placer la sonde dans l’ouverture de l’enceinte et relier le dispositif à la console VTT et à l’ordinateur. Démarrer l’agitation.
Penser à mettre le commutateur de l’adaptateur de la sonde O2 sur la position eau (ceci permet d’avoir les résultats en mg/L).
8-montage
  • Réaliser un témoin en parallèle avec une enceinte contenant uniquement de l’eau salée.
  • Lancer le logiciel « Atelier scientifique » en généraliste.
    9-
  • Placer l’oxymètre en ordonnée et le temps en abscisse en les faisant « glisser ».
    0-
  • Régler les paramètres d’acquisition : 10 min et 501 points.
    2-
  • Lancer l’acquisition en cliquant sur l’icône
    -feu vert

- Résultats des expérimentations

  • Témoin :
    3-r
  • Avec le muscle de coquille Saint-Jacques.
    4-r

Jeulin Tooxy et logiciel dédié

- Matériel  :

  • Une coquille Saint Jacques fraîche : elle doit être vivante donc il faut la prendre dans sa coquille.

Remarque  : Le coût de revient est d’environ 1,50 euro.

  • De l’eau salée à 35g/L pour servir de liquide physiologique pour le muscle (Eau du robinet et sel de table suffisent).
  • Enceinte respiration animale de 250ml (16€ chez Jeulin) avec les ouvertures pour la sonde O2 (ou un pot de yaourt de 200 mL environ avec un couvercle hermétique dans lequel vous avez percé un trou pour la sonde).
    -enceinte
  • Agitateur magnétique pour homogénéisation de l’eau

Fonctionne moins bien sans agitation

  • Une console ExAO Tooxy Jeulin :
    2-tooxy
  • Une sonde à dioxygène Jeulin FO9020
    3-sonde O2

    Avec le capteur Jeulin Tooxy associé

    4-adapteur O2
  • Logiciel dédié Tooxy : Normalement intégré à la console, il s’installe automatiquement sur l’ordinateur lors du branchement de celle-ci.

-  Préparation de la coquille :

  • Ouvrir la coquille à l’aide d’un couteau en coupant le muscle au scalpel : prélever uniquement le muscle blanc une fois que la coquille est ouverte.
    5-coquille
  • Couper le muscle au ciseau fin en petits morceaux : on obtient environ 20 g de muscle.

- Protocole de l’expérimentation :

  • Préparer la sonde O2, 15 min dans l’eau
6-pr
  • Récupérer 20g de muscle dans l’enceinte de 200 ml remplie à ras bord d’eau salée pour éviter les bulles d’air.
    7-pr
  • Placer la sonde dans l’ouverture de l’enceinte et relier le dispositif à la console Tooxy et à l’ordinateur. Démarrer l’agitation.
    8-montage
  • Réaliser un témoin en parallèle avec une enceinte contenant uniquement de l’eau salée.
  • Le logiciel Tooxy est automatiquement installé lors du branchement de la console en USB, la console possède aussi une mémoire interne qui stocke les données.

Sélectionner l’onglet SVT
Puis cliquer sur atelier embarqué.

9-accueil logiciel
0-

En cliquant sur le bouton rouge du capteur présenté à l’écran, on peut remettre la sonde en position « eau », ce qui permet de mesurer la quantité de dioxygène en mg/L.

  • On déclenche la mesure en cliquant sur le bouton démarrer.
    -bouton vert
  • Avec le logiciel embarqué, on ne peut pas déterminer la durée de la mesure à l’avance : laisser le témoin et l’expérience se poursuivre pendant 10 minutes puis arrêter la mesure en cliquant sur arrêter.

- Résultats obtenus :

2-r

Vous pouvez jouer sur les échelles des axes en cliquant dessus : ceci permet d’obtenir l’affichage optimal pour visualiser les résultats.

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