Epiaire laineux - Le vivant au sec

Séquence 1 : Le vivant au sec (mais à poils)

 

Objectifs 

Présenter comment le vivant peut inspirer des innovations technologiques (biomimétisme) autour d’une problématique de développement durable (gestion des ressources en eau).

Ce que font les élèves 

Les élèves réalisent des observations à l’œil nu puis à l’aide d’outils pour comprendre l’origine du phénomène de superhydrophobie dans le vivant. Ils exploitent les connaissances acquises en biologie pour imaginer une solution technologique.

Liens avec les notions disciplinaires 

SVT : Caractériser les enjeux de l’exploitation d’une ressource naturelle (eau). Comprendre et expliquer les choix en matière de gestion d’une ressource naturelle.

PC (optionnel) : Caractériser les différents états de la matière.

Compétences, attitudes travaillées 

SVT : Utiliser des instruments d’observation. Communiquer sur ses résultats. Comprendre la responsabilité collective en matière de préservation des ressources de la planète.

Productions 

Présentation des résultats d’observation à la manière d’un chercheur (poster ou présentation informatique illustré(e) par des photographies prises en classe et exploitées pour répondre à la problématique).

Matériel 

Séances de SVT : Matériel vivant hydrophobe (feuilles d’épiaire laineux, de sauge, plume de canard…) et peu hydrophobe (feuilles de géranium, plume de poule…). Matériel d’observation (loupe, microscope).

Durée 

2 séances

 

 

 

Activité préparatoire : Introduction à la problématique

Présenter des notions qui seront remobilisées par la suite (SVT : Ressource « Eau », PC : Etats de l’eau) et introduire l’existence de biomatériaux plus hydrophobes que d’autres.

La situation initiale, idéalement présentée avant la séance, est la suivante : l’eau sur Terre est une ressource limitée et dans certaines parties du monde, elle est présente en quantités très faibles (notamment dans les zones désertiques). Dans ces régions, l’exploitation des nappes souterraines est très coûteuse et peut engendrer des déséquilibres majeurs du fait de leur faible taux de remplissage. Des scientifiques cherchent à utiliser la rosée comme source d’apport en eau. L’objectif est donc de développer les connaissances scientifiques (en physique) et techniques nécessaires à la récupération de l’eau. Une contrainte est la suivante : le condenseur qui récupère la rosée doit être fabriqué en un matériau qui permette à l’eau de s’écouler rapidement pour être récupérée au niveau d’un récipient et éviter qu’elle ne s’évapore entre temps. Pour s’affranchir de cette contrainte, le matériau choisi doit être soit particulièrement hydrophile, soit particulièrement hydrophobe (bien que les surfaces hydrophiles semblent avoir un meilleur rendement, nous choisirons de traiter ici le cas des surfaces hydrophobes).

Un travail réalisé en amont de la séance en classe permet à l’élève d’acquérir ou de remobiliser rapidement des notions qui s’avèreront nécessaires à la bonne compréhension du contexte de l’activité. Ce travail est réalisé avec le support d’un fichier de présentation interactif grâce auquel ils visualisent des vidéos, étudient des photos, et répondent à des questions ouvertes ou fermées. Les notions abordées au travers de ce document sont : 1) le caractère limité des ressources en eau, 2) les états de l’eau et 3) le phénomène de condensation à l’origine de la rosée et la notion de biomimétisme. Bien entendu, les enseignants pourront décider de traiter et d’illustrer plus en détails ces notions (respectivement en cours de SVT, physique et technologie). Les manipulations données dans l’activité pour l’élève et présentées sur le site education.meteofrance peuvent constituer une piste de réflexion.

Si les enseignants ont fait le choix d’une modalité de classe inversée, ils pourront récupérer les réponses fournies par les élèves et s’appuyer sur celles-ci pour orienter le début du cours en classe en tenant compte des erreurs faites de façon récurrente par les élèves.

Lorsqu’ils visionnent le document, les élèves se familiarisent avec l’objectif général de la séquence (utiliser des observations dans le vivant pour concevoir de nouveaux matériaux hydrophobes nécessaires au condenseur), ils arrivent au constat que certains organismes semblent plus efficaces que d’autres dans ce procédé.

 

Nous vous proposons d'élaborer votre document de classe inversée à partir des documents et idées fortes présentées ci-dessous :

 

  • Point 1 : Le problème de l’eau et une solution venue des scarabées

Ressources possibles :

https://www.youtube.com/watch?v=XsMJNNshPOs

http://www.matvpratique.com/video/12579-boire-la-rosee-du-matin-en-bouteille-d-eau-bientot-une-realite

Idées clés:

Malgré son appellation de planète bleue, l’eau disponible pour la consommation n’est pas si importante que cela car la grande majorité de l’eau présente sur Terre se trouve sous une forme salée dans les océans, ou de glace. De plus, l’eau est inégalement répartie à la surface de la Terre et dans certaines zones désertiques, elle est très difficile d’accès. L’exploitation de nappes souterraines peut rapidement les vider si le cycle de l’eau n’est pas respecté. C’est pourquoi certains chercheurs veulent développer des dispositifs pour récupérer l’eau de la rosée. En effet, dans certains pays, si l’eau liquide vient à manquer, le taux d’humidité de l’air dans l’atmosphère y est parfois considérable. Il est donc théoriquement possible de récupérer cette ressource précieuse, même dans ces régions.

 

  • Point 2: Qu’est-ce que la rosée ?

Ressource possible :

http://education.meteofrance.fr/ecole/activites-experimentales/l-eau/buee-rosee-et-gelee-blanche

Idées clés:

Lors d’une nuit claire et froide, les végétaux et autres éléments au sol se refroidissent fortement. Si leur température descend au-dessous d’une certaine valeur, l’eau contenue dans l’air autour va se condenser.

 

  • Point 3 : Comment récupérer l’eau de la rosée ?

Idées clés:

1. Il suffit que l’eau de la rosée se forme sur une plaque (condenseur) puis coule et soit récupérée dans un récipient. Cependant, la plupart du temps, des gouttes d’eau qui tombent sur un support restent « collées » à lui.

2. Les scientifiques peuvent s’inspirer du vivant pour mieux comprendre certains phénomènes et ensuite les copier ! On parle de biomimétisme. Leonard de Vinci, par exemple, a étudié en détail le vol des oiseaux dans l’espoir de construire une machine volante !

3. On peut vouloir éviter que les gouttes restent collées à leur support pour différentes raisons : maintenir la bonne visibilité d’un pare-brise par exemple, ou récolter l’eau collée sur les parois.

4. Certains êtres vivants réussissent l’exploit d’être quasiment au sec par tout temps ! C’est le cas de ce canard mandarin dont le plumage apparaît complètement sec ! Peut-être pourrions-nous nous inspirer du vivant pour optimiser notre protocole de construction du récupérateur de rosée ?

 

  • Point 4 : Les êtres vivants ne sont pas tous égaux face à l’eau !

 

Note scientifique

On considère de façon arbitraire que quand l’angle de contact entre la goutte et le support est supérieur à 90°, alors le matériau est dit hydrophobe. Quand cet angle est supérieur à 120°, on parle même d’un matériau super-hydrophobe.

On peut ainsi considérer les plumes de canard et les feuilles d’épiaire comme (super)hydrophobes, contrairement aux plumes de poulet et aux feuilles de géranium par exemple.

 

 

 

Activité 1 : S’inspirer du vivant pour comprendre

 

Phase 1. Des mesures !

Comprendre l’importance d’avoir recours à des protocoles de mesures objectifs.

La dernière photographie présentée (une comparaison entre lotus et nénuphar) peut permettre de formuler des hypothèses sur les méthodes de mesure de l’hydrophobie – que les élèves auront intuitivement mises en œuvre (notamment sur l’aspect des gouttes d’eau). L’enseignant devra alors expliquer que la démarche scientifique et technique exige l’élaboration de protocoles de mesures objectifs. Ils vont donc devoir, en classe, définir un protocole de mesure de la « résistance à l’eau » (on introduira le terme d’hydrophobie lors de la conclusion). Ils peuvent décider de mesurer l’angle que fait la goutte d’eau posée sur le matériau, ou réaliser des « courses » de gouttes d’eau sur des plans inclinés recouverts par les matériaux étudiés. Une fois les mesures réalisées, on pourra établir la notion qu’un protocole de mesure précis nous a permis de conclure sur le fait que certains matériaux vivants sont plus hydrophobes que d’autres.

 

Notes pédagogiques

1. Le matériel est donné dans la Fiche Activités Séquence 1

2. A l’issue de l’activité et par la mise en commun des travaux des différents groupes, l’enseignant explicite :

- l’importance d’élaborer un protocole de mesure objectif;

- le vocabulaire de base : structure hydrophobe (propriété d’un objet à ne pas interagir avec l’eau, à ne pas être soluble dans l’eau, à repousser l’eau).

 

Phase 2. Vive les poils !

Réaliser des observations pour rechercher les causes de l’hydrophobicité d’un matériau vivant.

Dans cette phase, le défi consiste à réaliser des observations et à élaborer une production (photographies, dessins, schémas éventuellement) permettant d’illustrer la cause de l’hydrophobicité des feuilles d’épiaire (la feuille de géranium, nettement moins hydrophobes, servira de témoin). L’observation de la feuille d’épiaire conduira à formuler le rôle des poils dans cette propriété. Des photographies réalisées à la loupe binoculaire et/ou au microscope (à partir de l’appareil photo d’un portable si nécessaire) permettent de mettre en évidence la différence de densité des poils. Une photographie réalisée à la loupe binoculaire peut mettre en évidence le comportement des poils au contact de la goutte d’eau (cf. productions plus bas). Après avoir pris leurs photos ou réalisé leurs dessins, les élèves élaborent un compte-rendu plus détaillé qui rappelle (i) la problématique, (ii) la méthodologie d’obtention des résultats (on pourra travailler ici la rédaction des titres d’observations, le calcul du grossissement, etc.), (iii) les résultats et (iv) les conclusions obtenues à l’aide des résultats.

 

Notes scientifiques

On parle d’effet Cassie ou d’effet fakir pour décrire un tel comportement. Le schéma ci-dessous, issu de Pour la Science, septembre 2006, présente et illustre cet effet.

    

 

L’effet fakir repose sur l’existence d’une microstructure (évidente dans le cas de l’épiaire : les poils, densément implantés) et sur le fait que celle-ci soit « robuste » (pour éviter que le fakir ne s’empale !). Dans ces deux cas, l’état fakir est stable. Sinon, un état opposé (où l’eau s’imisce dans les interstices) est plus stable.

 

Notes pédagogiques

1. Le matériel est donné dans la Fiche Activités Séquence 1

2. Les documents auxquels pourraient arriver les élèves sont présentés ci-dessous. Le caractère hydrophobe de la feuille d’épiaire laineux est assuré par la forte densité des poils : celle-ci va induire l’effet « fakir » qu’il est possible de présenter sommairement aux élèves.

3. Il est nécessaire pour la suite de l’activité de montrer d’autres exemples où le caractère hydrophobe de la structure est assuré par des propriétés chimiques uniquement que l’on peut mettre facilement en évidence à l’échelle macroscopique voire microscopique (cutilcule des feuilles du chêne vert, houx, laurier…). Notez par exemple sur la microphotographie ci-dessous d'une feuille de laurier en coupe transversale, la cuticule, couche foncée périphérique constituée de molécules hydrophobes.

 

L’enseignant pourra expliquer qu’en réalité les deux phénomènes doivent être associés pour créer une structure super-hydrophobe (même sans cuticule visible, les parois végétales peuvent intégrer des éléments hydrophobes comme la lignine. Certes, une forte cuticule peut suffire à générer un caractère très hydrophobe mais les structures super-hydrophobes reposent sur l’association d’une surface hydrophobe et d’une microstructure physique induisant l’effet fakir).

 

Productions possibles

Voici quelques photographies d’observation réalisables avec une loupe binoculaire et un microscope (photographies prises avec un téléphone portable) :

 

Géranium (photographie prise au microscope x100)

 

Epiaire laineux (photographie de gauche : microscope x100 et de droite : loupe binoculaire x20)

  

    

Epiaire laineux avec une goutte d’eau posée (loupe binoculaire x20) : « effet Fakir »

 

Prolongement possible

Faire le lien entre observations physiologiques et théorie de l’évolution

« Rien n’a de sens en biologie si ce n’est à la lumière de l’évolution », Dobzhansky T., 1973

L’activité sur les feuilles et les plumes super-hydrophobes est un bon moment pour remobiliser les notions sur la sélection naturelle. En effet, associer pour une fois en détails la structure et la fonction dans un contexte écologique donné (et chez des organismes particulièrement éloignés d’un point de vue phylogénétique) peut permettre de bien illustrer le processus de sélection naturelle. De plus, ne pas évoquer la sélection naturelle ici, peut laisser place à des interprétations finalistes. L’enseignant peut donc choisir de discuter des mécanismes biologiques sous-jacents à l’oral ou recourir à une activité. Nous vous suggérons l’activité 3 « Faites pour voler ? » dans le projet Epistémé.

 

Ressources

- Fiche Activités Séquence 1

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte