TP virtuel sur le respiromètre : pois en germination

Ce TP virtuel sur le respiromètre suit l'investigation d'AP Biology sur la respiration cellulaire. Trois tubes sont placés dans un bain-marie : des pois en germination, des pois secs avec des billes de verre, et des billes de verre seules. Les élèves lisent la goutte colorée de chaque capillaire toutes les 5 minutes et corrigent les lectures avec le tube de billes. Ils tracent la consommation de O₂ en fonction du temps et obtiennent la vitesse par la pente. Ils recommencent ensuite à d'autres températures et calculent le Q₁₀. Des essais qui prennent une séance entière au laboratoire durent ici quelques secondes, et personne ne manipule de KOH. Tous les nombres ci-dessous ont été lus dans la simulation.

Liens avec les programmes

• AP Biology : Unit 3 (Cellular Energetics), topic 3.6 sur la respiration cellulaire (ENE-1), et l'investigation AP sur la respiration cellulaire, qui compare des pois en germination et des pois non germés à deux températures.
• NGSS (standard américain) : HS-LS1-7, la respiration cellulaire comme processus chimique qui rompt les liaisons des molécules des aliments et forme de nouveaux composés, en libérant de l'énergie.
• Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez : « On fait passer le bain-marie de 15 °C à 25 °C. Comment va changer la vitesse de consommation de O₂ des pois en germination ? » Les élèves choisissent : environ deux fois plus rapide, à peu près la même, environ deux fois plus lente, ou environ dix fois plus rapide. Ils écrivent une raison. Sur un lien de classe, c'est la question 1 ; la simulation se débloque une fois qu'ils ont répondu.

Protocole dans la simulation

La simulation mesure la vitesse en mL de O₂ par minute et en µL par gramme et par minute. Utilisez la vitesse par gramme pour comparer des essais avec des nombres de graines différents.

1. Gardez les valeurs de départ : Pois, 25 graines par tube, 25 °C, 30 min, KOH, Équilibrer 10 min, pince ouverte. Réglez Vitesse : 5 min par seconde et appuyez sur Démarrer.
2. Pendant l'essai, touchez un tube pour agrandir son échelle. Toutes les 5 minutes, recopiez les lectures, les Δ et les valeurs corrigées du tableau.
3. À la fin, notez les vitesses du tube 1 et du tube 2 dans le tableau Essais.
4. Changez seulement la température et appuyez sur Relancer, à 20, 15 et 10 °C. Pour 30 °C et 35 °C, réglez Graines par tube sur 10. Avec 25 graines, la goutte entre dans le tube avant 30 minutes.
5. Lisez la ligne Q₁₀ sous le tableau des essais. Elle compare le dernier essai avec un essai précédent à au moins 5 °C d'écart.
6. À 25 °C, faites un essai avec Sans KOH (eau), puis un essai avec Fermer et mesurer.

Température (°C)	Graines	Vitesse tube 1 (mL/min)	Vitesse tube 1 (µL/g/min)	Vitesse tube 2 (mL/min)
10	25
15	25
20	25
25	25
30	10
35	10

Résultats attendus

La vitesse varie de quelques pour cent d'un essai à l'autre : les valeurs ci-dessous sont donc des plages. Elles viennent de 20 000 essais du modèle de la simulation et ont été vérifiées dans le navigateur.

• 25 °C, 25 pois : le tube 1 consomme 0,019–0,021 mL/min, soit 1,49–1,70 µL/g/min. La consommation corrigée après 30 minutes est d'environ 0,56–0,64 mL. Un essai dans le navigateur a donné 0,0204 mL/min (1,63 µL/g/min).
• Vitesses aux autres températures : environ 0,59 µL/g/min à 10 °C ; 0,81 à 15 °C ; 1,14 à 20 °C ; 2,2 à 30 °C et 3,1 à 35 °C (30 et 35 °C avec 10 graines).
• Q₁₀ : à partir d'essais à 15 et 25 °C, entre 1,73 et 2,21. L'essai à 15 °C dans le navigateur a donné 0,83 µL/g/min, donc Q₁₀ = 1,63 ÷ 0,83 = 1,97.
• Pois secs (tube 2) : entre −0,0003 et 0,0005 mL/min, proche de zéro.
• Sans KOH : le tube 1 tombe entre −0,0004 et 0,0003 mL/min. Les graines respirent toujours, mais elles rejettent autant de CO₂ qu'elles absorbent de O₂.
• Sans équilibrage à 25 °C : le gaz se réchauffe et se dilate. Dans la plupart des essais, les gouttes des tubes 2 et 3 sortent du capillaire dans les 5 premières minutes. À 15 °C, le gaz se refroidit au contraire, et les gouttes entrent dans les tubes.

Questions pour les élèves

1. Prédiction : de 15 °C à 25 °C, comment va changer la vitesse de consommation de O₂ des pois en germination ?
2. Le tube 3 ne contient que des billes de verre. À quoi sert-il ?
3. Faites un essai avec 25 pois à 25 °C pendant 30 min avec du KOH. Quelle est la vitesse du tube 1 en µL/g/min ?
4. Relancez à 15 °C. Calculez le Q₁₀ à partir des deux vitesses.
5. Retirez le KOH et faites un essai à 25 °C. Expliquez pourquoi la goutte bouge à peine alors que les graines respirent.

Réponses pour l'enseignant :

1. Elle double à peu près.
2. Il enregistre les variations du volume de gaz dues seulement à la température et à la pression de l'air. On les soustrait des tubes 1 et 2.
3. Accepter 1,45–1,75 µL/g/min.
4. Accepter 1,65–2,30 ; la plupart des essais donnent environ 1,9–2,0.
5. Le KOH absorbe le CO₂. Sans lui, le CO₂ rejeté remplace le O₂ absorbé : le QR vaut environ 1 pour l'amidon. Le volume de gaz reste le même.

Idées fausses fréquentes

• « Les graines sèches sont mortes. » Elles sont vivantes mais en dormance. Leur vitesse est d'environ 1,5 % de celle des graines en germination, ce que la simulation affiche comme presque nul.
• « La goutte bouge parce que les graines rejettent du gaz. » Avec du KOH, la goutte avance vers le tube parce que le O₂ est consommé et que le CO₂ est absorbé.
• « Le tube de billes est inutile dans un bain-marie. » De petites dérives de température et de pression font quand même bouger chaque goutte. Le tube 3 les mesure.
• « Un Q₁₀ de 2 signifie que la vitesse double à chaque degré. » Elle double pour chaque hausse de 10 °C.

Prolongement

• QR. Faites un essai à 25 °C avec du KOH, puis sans KOH. La simulation calcule le quotient respiratoire à partir des deux essais.
• Pois ou maïs. Comparez les µL/g/min des pois et du maïs à 25 °C. Demandez pourquoi les vitesses par gramme sont nécessaires quand les graines n'ont pas la même taille.

Questions fréquentes

Pourquoi utiliser des µL/g/min et non des mL/min ?

Les mL/min dépendent du nombre de graines dans le tube. Diviser par la masse de graines donne la même vitesse pour 10 ou 25 graines : on peut donc comparer des essais avec des nombres différents.

Pourquoi ma vitesse diffère-t-elle de celle de mon voisin ?

La simulation ajoute quelques pour cent de variation naturelle entre lots de graines, ainsi que de petites dérives de température et de pression. C'est pourquoi les questions acceptent une plage.

Puis-je fixer les réglages pour ma classe ?

Oui. Dans la page de partage, créez un lien et réglez les graines, leur nombre, la température, la durée, le KOH et l'équilibrage dans les valeurs de départ.

Voir aussi

Fermentation – voies lactique et alcoolique Intensité de la photosynthèse – lumière, CO₂, température et point de compensation

Pour l'autre face du cycle du carbone, voir le TP virtuel sur la photosynthèse. La température agit sur la respiration par l'intermédiaire des enzymes : voir le TP virtuel sur l'activité enzymatique.