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I. A. 1. (1) C'est une
mesure ± quantitative de la consommation de
dioxygène par la souris à
température constante, et une mesure qualitative
de la production de dioxyde de carbone dans les
mêmes conditions.
2. (1) L'expérience
est en cours car les niveaux d'eau sont différents
dans les deux branches du tube en U (indiquant une
dépression dans l'enceinte et donc la consommation
d'un gaz) et l'eau de chaux est troublée indiquant la
précipitation de CaCO3 qui piège le dioxyde de
carbone.
3. (1) Si la souris avait
froid (ou chaud) elle dépenserait plus
d'énergie pour régler sa température
(c'est un endotherme, comme tous les mammifères, qui
effectue donc une thermorégulation). Le
thermomètre sert à vérifier la
température du bain qui doit être
constante.
Certains d'entre vous ont confondu "thermostaté"
ou "thermostatique" (température maintenue constante
grâce habituellement à un thermostat) avec une
mesure calorimétrique de la chaleur produite par
l'animal et donc une évaluation de son
métabolisme. Ce montage ne le permet pas car c'est
l'ensemble du bain et de l'enceinte qu'il faudrait isoler du
milieu extérieur, ce qui n'est pas le cas.
4. (1) Avec des vers de
terre les résultats seraient comparables mais les
variations de plus faible intensité étant
donné que s'est un animal
(hétérotrophe, qui réalise des
échanges gazeux de même nature que la souris)
et hétérotherme (qui n'est pas capable de
maintenir sa température fixe et qui n'a donc pas de
dépense énergétique liée de
façon très nette avec une augmentation ou une
diminution de température par rapport à une
température de référence).
Avec les champignons, toujours des résultats
comparables à ceux de la souris : les champignons
sont des organismes hétérotrophes et dont
,à ma connaissance, on ne sait rien sur une
éventuelle température métabolique
réglée.
Avec la plante chlorophyllienne, les résultats ne
seraient pas comparables (même s'ils étaient
identiques) car ces organismes sont autotrophes (et
consomment donc du dioxyde de carbone pour leur
synthèses organiques) et phototrophes (et produisent
du dioxygène lors de la photolyse de l'eau). A ces
phénomènes s'ajoute la respiration. Selon
l'éclairement et le type de plante on pourrait donc
avoir un bilan positif ou négatif pour ces deux
gaz.
B. 1. (1) La consommation au
repos est constante à 250 mL/min; lors de l'exercice,
elle augmente pour atteindre un maximum en 4 min à
1,5 L/min; lors de la récupération, elle
baisse progressivement pour revenir en 8 min à la
consommation au repos.
2. (1) Au repos, tous les
organes consomment du dioxygène (respiration
cellulaire) correspondant au travail cellulaire de repos (de
base). A l'exercice, à cette consommation de base
s'ajoute une consommation liée au travail
mécanique réalisé par les muscles
(squelettiques et cardiaque qui se contractent). Cette
augmentation du travail entraîne une augmentation de
la consommation en dioxygène. Le maximum atteint
dépend de la capacité de l'individu qui a une
composante histologique (musculation) et physiologique
(entraînement...). Lors de la
récupération l'organisme reconstitue ses
réserves (en fait phosphocréatine).
C. 1. (1/2) La
dépense énergétique est l'estimation de
la consommation énergétique d'un organisme
évaluée à partir de la mesure de sa
consommation en dioxygène. (on accepte : "C'est la
quantité d'énergie consommée par
unité de temps et de masse pour un organisme" mais il
faut la notion d'estimation à partir de la
consommation en dioxygène (le lien repose sur le
coefficient thermique du dioxygène: 1L de
dioxygène consommé correspondant environ
à 20kJ utilisé par l'organisme; mais cette
notion n'est pas demandée: j'ai cependant
rajouté 1/2 point à ceux qui l'ont
exprimé, parfois avec des mots
différents).
2. (1) On observe les
variations de la dépense énergétique en
fonction du sexe et de l'activité: elle augmente avec
l'intensité de l'activité et est plus
importante, à masse égale, pour l'homme que
pour la femme (il faudrait pouvoir faire les calculs mais
vous n'avez pas de machine et les calculs manuels sont un
peu longs). Il n'en reste pas moins que cette absence de
relation avec la masse est importante donc voici les
chiffres du tableau modifiés en les rapportant
à l'unité de masse (l'homme pèse 65 kg
et la femme 55 kg):
|
activité
|
homme
kJ/24h/kg
|
femme
kJ/24h/kg
|
différence homme-femme
kJ/24h
|
différence homme-femme
kJ/24h/kg
|
|
légère
|
174
|
152
|
2900
|
22
|
|
modérée
|
192
|
167
|
3300
|
25
|
|
forte
|
225
|
198
|
3700
|
27
|
|
exceptionnelle
|
257
|
223
|
4400
|
34
|
3. (1) Le document 2 montre
les variations dynamiques alors que le document 3 montre des
valeurs moyennes statiques. La consommation de
dioxygène est directement proportionnelle à la
dépense énergétique. (Étant
donné que la question était, à mon
avis, ambigu, j'ai accepté de prendre en compte la
réponse du 1 dans le 3 et
réciproquement).
4. (1/2) Le
métabolisme de base désigne la dépense
énergétique au repos, couché, en
état d'équilibre thermique et à jeun.
Ce métabolisme de base correspond à un travail
cellulaire minimal qui inclut des dépenses
liées à la thermorégulation (l'homme
est endotherme).
D. (3) Le niveau
mitochondrial est inutile mais pas forcément pris en
compte négativement si l'on ne dépasse pas le
niveau d'une 1ère S. Pour ce genre de texte à
rédiger le correcteur recherche des
mots-clés d'une part et
une compréhension d'autre part
(il s'efforce de savoir si le candidat comprend ce qu'il
écrit ou pas: un mauvais français est donc
très pénalisant car, si l'on ne peut savoir si
l'erreur vient de l'expression ou de la
compréhension, on considère que la notion
n'est pas acquise: c'est un concours !)
Les mots-clés sont : nutriments (glucides,
lipides, aa), oxydo-réduction (ce qui peut
être formulé par le verbe "brûler"),
dioxygène réduit en eau (accepteur
d'électrons) et nutriments oxydés et
décarboxylés (dioxyde de carbone produit). Ces
deux étapes peuvent être formulé par
exemple comme ceci : "l'oxygène est consommé
lors de la combustion des nutriments et de l'eau est
produite ainsi que du dioxyde de carbone"; énergie
(ATP, énergie directement utilisable pour la
cellule mais non transportable d'une cellule à
l'autre). Pour le primaire les concepts sont
différents, voir le cours sur la nutrition.
Une petite perle pour se
détendre : Séverine nous propose
"d'émettre une
supothèse": voilà ce qui
permettrait enfin de se séparer définitivement
du mot d'«hypothèse» galvaudé par
les mathématiciens : une réconciliation de
l'intuition et de la conception....
II. E. (3 = 1/2 + 1 + 1/2 +
1) Doc 4 : La respiration permet au niveau des
poumons une absorption de dioxygène et un rejet de
dioxyde de carbone. L'azote, inerte, n'est pas
utilisé. On peut même chiffrer 21% d'O2 dans
l'air entrant contre 16% dans l'air sortant et 0,003% de CO2
dans l'air entrant pour 4à5% dans l'air sortant.
Doc 5: C'est la dynamique des systèmes
respiratoires et circulatoires qui est principalement
présentée : les mouvements (respiration
pulmonaire rythmique: mouvement alternatif ; échange
continu air-sang; circulation continue malgré la
contraction rythmique cardiaque; échange continu
entre le sang et les organes), les volumes, les surfaces
d'échanges, le sens et la nature des échanges
gazeux (absorption et rejet): ce schéma n'a qu'une
légende très incomplète qui doit
être enrichie.
Doc 6: Schéma d'anatomie simplifiée:
trajet (voies respiratoires) de l'air, schématisation
simpliste de l'arborisation pulmonaire.
Doc 7 : Évolution du rythme respiratoire et du
volume de dioxygène consommé par un individu
en fonction de son activité: plus l'activité
est intense, plus le rythme respiratoire augmente ainsi que
le volume de dioxygène consommé. Une analyse
plus fine permet de supposer que l'adaptation du rythme
respiratoire est peut-être plus lente (dans le sens
où l'on passe successivement aux quatre types
d'activités) et donc consécutive à
celle de la consommation de dioxygène...(toujours
l'absence de machine.... mais quand on passe de la position
couché à debout on a une variation de 40% du
rythme respiratoire, puis 26% entre la position debout et la
marche, et 221% de la marche à la course; pour le
volume de dioxygène consommé les chiffres sont
de 50%, 167% et 225% et donc du même ordre de grandeur
sauf pour la marche où le volume de dioxygène
consommé augmente plus "vite" que le rythme
respiratoire).
F (3) Les démarches
sont innombrables car personnelles: la démarche la
plus "classique" est de partir de l'anatomie (6) pour
continuer sur la physiologie (les gaz : 4 et l'adaptation
à l'effort : 7) pour finir par le schéma de
synthèse (5) à compléter avec les
enfants. Des expériences (eau de chaux,
oxymètre...) des activités d'EPS et des
observations sur le réel (dissection
d'appareils respiratoires...) sont nécessaires (1
point sur les 3). MAIS voici quelques remarques, les
corrections restant individuelles:
* je conseille encore une fois de se donner la peine de
rédiger sa réponse sous forme d'une fiche
de préparation : c'est un excellent exercice.
* je cite C. : «On peut demander aux enfants
d'"imaginer" à quoi ressemble un poumon (et le reste
de l'appareil respiratoire) et en faire un dessin
légendé. Le document 6 sera apporté
comme un élément de correction ou validation
de leurs conceptions». A mon avis cette
démarche est caricaturale (je l'ai
qualifiée d'inepte sur la copie): un travail sur les
conceptions demande d'identifier un obstacle qui n'est pas
un savoir mais un concept erroné: cela ne peut pas
être simplement un savoir anatomique. Le document 6
véhicule aussi des concepts erronés du fait de
sa simplification extrême. Le travail de didactique
sur le concept de respiration à l'école a
abouti à la présentation de certains savoirs
anatomiques qui doivent être maîtrisés:
deux (ou trois) orifices externes - un orifice interne pour
un tube (trachée artère) qui se divise en deux
(bronches) puis en des centaines de milliers de petits tubes
terminés chacun par un petit sac (alvéole).
Comment pouvez-vous demander à un enfant de
représenter ces concepts sans travail
préliminaire ? On perd un temps fou à vouloir
chercher les blocages éventuels, avant d'aborder une
notion.
* certains d'entre vous proposent une dissection de
lapin pour monter l'appareil respiratoire. A mon avis c'est
un leurre: la transposition lapin-homme pour l'ensemble de
l'appareil respiratoire est assez difficile. Par contre un
travail sur un poumon frais de grenouille est possible et
instructif : on voit-touche (par les sens) la finesse,
l'élasticité, la vascularisation de la paroi
pulmonaire (lorsque l'on gonfle le poumon):
évidemment les poumons des amphibiens sont peux
divisés mais c'est justement pour cela qu'on peut les
gonfler; les poumons des mammifères sont beaucoup
trop ramifiés pour que l'on voit la finesse de la
paroi autrement que par une coupe et un microscope et une
préparation microscopique de poumon n'est pas
disponible dans une école habituelle. Même
remarque pour le poumon de bœuf avec les
problèmes de l'ESB en plus.
* il est inutile de signaler une expérience possible
si vous ne prenez pas la peine de construire
réellement une séance réalisable
(c'est là la partie professionnelle de
l'épreuve du CRPE): par exemple pour une
séance de 30 min environ : « les
élèves disposent par groupe de deux d'une
paille et de deux pots de verre contenant un peu d'eau de
chaux claire; on leur demande de concevoir une
expérience pouvant prouver la relation entre la
composition en CO2 de l'air entrant et sortant du poumon qui
a été par exemple mis en évidence
à partir du document 4; les protocoles doivent
d'abord être rédigés (schémas);
le maître en prend connaissance avant de laisser
l'expérience être réalisée; les
résultats sont notés et la conclusion
rédigée; une synthèse globale est faite
pour le groupe classe». Les objectifs
spécifiques sont aussi l'apprentissage de la
démarche expérimentale.
* Un concept erroné a été
présenté par certains ( à moins que ce
ne soit en fait une maladresse d'expression): «le
dioxygène entre dans l'organisme à
l'inspiration et le dioxyde de carbone ressort à
l'expiration». C'est FAUX si on se
réfère aux organes ou au sang, ou au mieux
inexact si l'on se réfère au corps dans son
entier. Il est évident que les échanges gazeux
entre le sang et l'air sont CONTINUS (même si la
rythmicité du mouvement respiratoire se voit
peut-être de façon extrêmement fine au
niveau des capillaires !?), notamment du fait que le
renouvellement de l'air alvéolaire est faible en
respiration courante (non forcée): de l'ordre d'1/5:
voir cours sur la respiration.
C'est le même danger qui guette celui qui écrit
: «le document 4 nous permet de dire que l'air qui
rentre n'est pas le même que celui qui sort».
Cette phrase est fausse dans sa
généralité. Une bonne partie (4/5) de
l'air est bien le même, moléculairement
parlant.
G (2) Ce qui est
demandé est en quelque sorte une trace
écrite; en voici une un peu trop complète
peut-être...
Les mouvements pulmonaires permettent l'entrée et la
sortie de l'air depuis l'extérieur vers les poumons
en passant par les voies aériennes (trois orifices
possibles, un conduit unique (la trachée
artère) qui se divise en deux bronches qui
vont chacune vers un poumon et s'y ramifient en
d'innombrables petits tubes terminés chacun par un
petit sac ou alvéole pulmonaire). La glotte
régule notamment le passage des aliments vers
l'œsophage et non vers la trachée artère
(on peut s'étouffer si une grosse bouchée
passe par "le mauvais trou").
La paroi des alvéoles est élastique,
très fine et fortement irriguée.
A chaque inspiration les alvéoles se remplissent
d'air et les échanges gazeux peuvent se faire
entre le sang et l'air alvéolaire. A chaque
expiration les alvéoles se vident presque totalement.
Mais il n'y a qu'1/5 de l'air qui est renouvelé
à chaque cycle inspiration-expiration étant
donné que beaucoup d'air reste dans les tuyaux.
Le sang se charge de dioxygène au niveau des poumons
et rejette son dioxyde de carbone. Le cœur est la pompe
principale qui fait circuler le sang dans les vaisseaux.
Au niveau des organes de nouveaux échanges
gazeux ont lieu mais dans le sens inverse par rapport aux
poumons: le dioxygène passe depuis le sang vers les
organes qui nécessitent du dioxygène (tout
ceux qui travaillent nécessitent du
dioxygène et tous les organes vivants travaillent) et
le dioxyde de carbone est rejeté par les organes qui
travaillent et passe dans le sang.
Lors d'un exercice les muscles et le cœur (qui est
aussi un muscle) travaillent plus et nécessitent plus
de dioxygène (et rejettent plus de dioxyde de
carbone) et l'organisme s'adapte à l'effort en
augmentant le rythme respiratoire et le rythme
cardiaque.
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