La nutrition des plantes - expériences

1. Organisation d'un végétal

Exemple: le plant de pomme de terre : Solanum tuberosum (règne des Plantes).

Originaire des Andes (Amérique du Sud), elle a été importée en Europe à la fin du XIVème siècle mais elle ne devient une nourriture de base que vers la fin du XVIIIàme siècle. Elle est arrivée tout d'abord en Espagne, puis est repartie vers la Floride, pour revenir en Angleterre et en Irlande avant de conquérir la côte Est des Etats-Unis. En 1845-1847 l'épidémie de "brunissure" (maladie bactérienne) en Irlande provoqua une immigration massive des irlandais vers le continent Nord américain.

Le plant de 60-80 cm de haut possède des fleurs blanches et jaunes et des fruits verts de 2-3 cm de diamètre. Des tiges souterraines (stolons) renflées à leur extrémité, forment des tubercules (les "pommes de terre"). On notera que les yeux du tubercule sont des bourgeons et les petites cicatrices incurvées des traces de feuilles.

Le tubercule de pomme de terre est utilisé dans l'alimentation humaine (féculent mais aussi alcool) et les feuilles peuvent donner du fourrage pour les animaux.

Ne pas confondre la pomme de terre avec la patate douce (Ipomea batatas) de la famille des liserons (Convolvulacées) qui est une plante rampante dont le tubercule, aussi comestible, est issu d'un renflement de la racine.

Les organes que vous devez reconnaître sont : la racine, la tige, le tubercule, la feuille (le pétiole et le limbe), la fleur (le pétale, le sépale, une étamine, un ovaire, un fruit, une graine). Schéma simplifié d'un plant de pomme de terre (voir ci-dessous, et Tavernier p 199 et s. pour le vocabulaire floral).

Le cycle de vie comprend un cycle de reproduction sexuée par les graines et un cycle de reproduction asexuée (multiplication végétative) par les tubercules. En automme et en hiver, le plant feuillé dégénère et seuls subsistent les graines et les tubercules enterrés. Le développement d'un oeil (bourgeon) à partir d'un tubercule de pomme de terre (Tavernier, p 215).

2. L'eau et les sels minéraux pénètrent dans la plante par les poils absorbants des racines et circulent dans les vaisseaux du xylème sous forme de sève brute

L'eau pénètre avec les sels minéraux en solution par des cellules spécialisées : les poils absorbants. Ces cellules forment l'assise pilifère située à l'extrêmité de la racine. Les racines âgées sont entourées de tissus durs et imperméables (tissus sclérifiés). (Expériences et observations, Tavernier p 111 et s.).

L'eau et les sels minéraux gagnent le cylindre central, traversent l'endoderme, et se déversent dans les vaisseaux du xylème qui forment le bois dans les tiges et racines âgées. La sève brute, ainsi formée, ne contient que des sels minéraux et de l'eau.

Les tissus conducteurs de la sève brute sont constitués de cellules mortes (vaisseaux du bois) dont la paroi est imprégnée d'une substance rigide et imperméable : la lignine. La sève brute monte dans la racine, puis dans la tige, jusqu'aux feuilles et à tous les organes aériens.

dessin de détail

Les mycorhizes sont des associations de type symbiose vraie (association à bénéfices réciproques) entre un champignon (règne des Mycètes) et les racines de nombreux arbres (Tavernier p 130). L'assise pilifère est remplacée par un feutrage de filaments du champignon (mycélium) qui draine l'eau et les sels minéraux et les fournit à l'arbre qui, en retour, fournit des sucres au champignon.

3. La majorité de l'eau absorbée par une plante est rejetée par les feuilles sous forme de vapeur d'eau (c'est l'évapotranspiration)

La sève brute circulant par le xylème arrive au niveau des feuilles par les nervures. Elle irrigue les cellules de la feuille et passe pour une bonne part sous forme de vapeur d'eau dans les espaces situées entre les grosses cellules du parenchyme de la feuille (lacunes aérifères).

La vapeur d'eau sort par des trous situés dans les feuilles et parfois sur les tiges: c'est l'évapotranspiration. Les orifices sont les ostioles des stomates (ensemble de deux cellules en forme de reins accolées).

L'évapotranspiration foliaire est le moteur principal de la montée de la sève brute.

4. une partie de l'eau absorbée par la plante est utilisée lors de la croissance ou la reproduction

La plante grandit et augmente donc son volume. Comme une plante contient environ 80% d'eau, c'est bien l'eau qui est le composant principal (en masse). L'eau permet donc la croissance. Certaines parties de la plante comme les fruits contiennent encore plus d'eau et donc nécessitent une grande quantité d'eau absorbée par les racines.

5. Le dioxygène et le dioxide de carbone entrent et sortent par les stomates et circulent dans la plante entre les cellules

Les échanges de gaz peuvent se faire à travers toutes les surfaces de la plante mais sont réalisées préférentiellement au niveau des feuilles. La cuticule, lorsqu'elle est présente, limitant les échanges gazeux, c'est essentiellement au niveau des stomates que se font les échanges gazeux.

Les gaz qui pénètrent dans la plante par les stomates circulent dans les espaces aérifères situés entre les cellules : méats et lacunes (on parle de parenchymes aérifères ou lacunaires lorsque ces espaces sont de grande taille). Schéma général de synthèse ci-dessous. Chez les plantes aquatiques, les organes immergés ont souvent des espaces aérifères de grande taille, permettant ainsi aux gaz de circuler depuis les feuilles habituellement flottantes vers les tiges, feuilles et racines immergées.

6. Les substances organiques synthétisées lors de la photosynthèse par les parties vertes de la plante sont distribuées dans toute la plante par la sève élaborée qui circule dans les tubes criblés du phloème

La plante respire aussi bien à l'obscurité qu'à la lumière : elle consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone.

Les parties vertes de la plante synthétisent des substances organiques en présence de lumière et de dioxyde de carbone: c'est la photosynthèse. Pendant cette photosynthèse, elle rejette du dioxygène. Le dioxygène étant produit lors de la photosynthèse à la lumière, il est généralement libéré par la plante éclairée. Le dioxyde de carbone peut être absorbé par la plante à différents moments et même la nuit et peut donc être stocké dans les espaces aérifères avant d'être utilisé lors de la photosynthèse.

Les substances organiques synthétisées lors de la photosynthèse sont stockées, la plupart du temps sous forme d'amidon. L'amidon est un sucre complexe composé de plusieurs unités de sucres simples accrochées les unes aux autres (polymère). L'amidon peut être coupé en petites molécules de sucres simples comme le saccharose (sucre de cuisine).

Les substances organiques synthétisées par la plante passent dans la sève élaborée. La sève élaborée contient de l'eau, des sels minéraux mais aussi de nombreuses substances organiques nutritives (du saccharose principalement mais aussi des vitamines, des acides aminés (qui servent à construire les protéines)...) ou informatives (hormones...).

La sève élaborée circule dans des cellules vivantes: les tubes criblés qui forment le phloème. Dans une tige âgée les tubes du phloème forment le liber. Le phloème est situé au voisinage du xylème et forme des faisceaux conducteurs aussi bien dans les tiges (et les nervures de feuilles) que dans les racines. Schéma général de synthèse ci-dessous.

La circulation de la sève élaborée est plus lente que celle de la sève brute (quelques millimètres à l'heure par opposition à quelques centimètres à l'heure). Elle se fait aussi bien du bas de la plante vers le haut (circulation ascendante, comme pour la sève brute) que dans le sens inverse (circulation descendante).

7. De nombreuses parties de la plante stockent des réserves qui sont utilisées pendant l'hiver ou au printemps

Tous les organes d'une plante peuvent stocker des réserves : la tige de pomme de terre qui devient souterraine (stolon) et se renfle pour former un tubercule ("pomme de terre") (Schéma général de synthèse ci-dessous); la racine qui se renfle et forme un tubercule ou un rhizome (iris); les feuilles même qui peuvent s'épaissir et former un bulbe (tulipe...). Le tronc des arbres possèdent de nombreuses cellules du liber (faisant partie du phloème) qui stockent des réserves pour l'hiver.

Les réserves sont habituellement constituées d'amidon comme chez la pomme de terre mais peuvent aussi être des lipides (comme dans la graine de tournesol) ou encore des protéines (graine de ricin).

Les organes de réserve peuvent servir d'organe de survie pendant la mauvaise saison et donner un nouveau plant au printemps comme pour la pomme de terre : l'organe de réserve participe alors à la multiplication végétative (reproduction asexuée).

Les graines stockent aussi de nombreuses réserves qui seront utilisées lors de la germination. Elles assurent la reproduction sexuée.

par où

par les racines

comment ?

est-ce un phénomène vivant : actif ou passif ?
la plante morte absorbe-t-elle de l'eau ?

c'est essentiellement un phénomène actif au niveau de la racine qui pompe (travail du vivant) l'eau et les sels minéraux, séparément.

par où

par la tige

est-ce un phénomène vivant : actif ou passif ?
une tige morte conduit-t-elle l'eau ?

c'est à la fois un phénomène passif au niveau de la tige seule: l'eau monte par capillarité, c'est-à-dire que plus un tube est fin plus l'eau monte dedans du fait de l'adhérence de l'eau aux parfois: c'est une petite expérience facile à faire si l'on dispose de tubes transparents de différents diamètres; en effet les tubes conducteurs de la plante dans lesquels la sève brute (essentiellement de l'eau) monte sont des cellules mortes dont seuls les parois subsistent et donc le modèle mécanique est assez exact; mais c'est aussi un phénomène actif puisque c'est la racine qui pompe (travail du vivant) l'eau et les sels minéraux (séparément) que c'est aussi la feuille qui en évaporant l'eau permet un appel d'eau depuis la racine vers les parties aériennes de la plante.

par où

par les feuilles et un tout petit peu par les tiges

est-ce un phénomène vivant : actif ou passif ? la plante morte rejette-elle de l'eau ?

c'est principalement un phénomène actif au niveau des feuilles dont des cellules spécialisées régulent l'entrée et la sortie des gaz et donc de la vapeur d'eau par des petits orifices: les ostioles des stomates

à quoi sert l'eau absorbée ?

puisque une grande partie de l'eau est rejetée , l'eau sert d'abord au transport des substances minérales depuis le sol dans les feuilles où elles vont servir, avec le gaz carbonique pompé dans l'air, à fabriquer des substances organiques à la lumière (nutrition); ensuite une partie de l'eau est conservée dans la plante car elle grandit (croissance) et éventuellement se reproduit (formation des fleurs, des fruits (certains contiennent beaucoup d'eau) et des graines)

"le" modèle pédagogique "la main à la pâte"

Je précise que je ne veux pas dire par là qu'il y à une et une seule démarche pédagogique dans l'esprit la main à la pâte. Osons simplifier en quelques grands lignes ce qui est un ensemble d'expériences pédagogiques si diverses que mon titre peut faire sourire ou frémir... Pour plus de renseignements consulter le site de l'opération sur le site de l'INRP (http://www.inrp.fr/lamap/).

* Développer l'autonomie de l'enfant dans l'acquisition des connaissances.
* Guider l'enfant dans la démarche sans lui souffler le résultat ni résoudre les problèmes à sa place. Mais pousser l'enfant à prévoir un plan d'expérience, à tenir son cahier d'expériences à jour, à débattre de ses résultats...
* Favoriser les débats et les discussions entre enfants, le maître est médiateur et non savant (mais il doit aussi beaucoup préparer son sujet pour pouvoir orienter le projet en terme d'objectifs spécifiques et opérationnels).
* La démarche expérimentale est un cadre de pensée proposée à l'enfant pour organiser ses observations et ses questionnements. On doit faire évoluer ses représentations.
* Laisser les élèves faire des essais et des erreurs qui sont un moteur d'apprentissage.

Afin de mieux comprendre ce que peut être un projet La Main à la Pâte, je vous conseille de visiter la page de Madame Tournebise de l'école Jean-Jacques Rousseau à Bobigny qui présente une séquence sur les besoins des végétaux: http://lamap93.free.fr/construire/lml/lml-99-01ind.htm

le modèle: des expériences pour voir - le tâtonnement expérimental

« Dans le but de développer la curiosité de l'enfant et le questionnement. Expérimenter c'est agir sur un processus ou un phénomène en vue de le modifier. Cette modification doit être anticipée puis étudiée. L'expérimentation se caractérise par une démarche. Au début, il y a une (ou des) hypothèse(s), c'est-à-dire une solution possible pour répondre à un problème, et qui doit être testée » (in M. Cantor et al., De la découverte du monde à la biologie aux cycles II et III, Nathan, 1996).

Cette pédagogie ne me convient vraiment pas car elle part d'un présupposé philosophique pragmatique. A mon avis le monde n'est pas la solution a un problème. C'est l'homme qui conceptualise ce qu'il essaye de connaître au moyen de la méthode expérimentale.

On n'apprend rien en testant des hypothèses (émises plus ou moins au hasard) mais bien en posant un problème scientifique dans le cadre d'un concept scientifique (paradigme). Ceci sous-entend que l'on essaie vraiment de développer l'apprentissage de la méthode expérimentale au primaire... ce qui est sans conteste un défi.

exemples: manipuler et effectuer un tâtonnement expérimental: on sème telle graine dans telles conditions POUR VOIR si elle va germer. On place des rameaux feuillés dans différents liquides POUR VOIR s'ils vont survivre. On donne différents aliments à un animal POUR VOIR s'il va les manger.

Quel est l'apprentissage méthodologique s'il n'y a pas de concept, s'il n'y a pas d'HYPOTHÈSE SCIENTIFIQUE ? Dans les exemples ci-contre: on sème des graines d'une espèce précise dans des conditions précises pour tester une hypothèse concernant un paramètre contrôlable (humidité, température, luminosité...); on mesure la quantité d'eau absorbée par une plante donnée dans des conditions précises; on essaie de déterminer par quel sens un animal reconnaît et est attiré (ou non) par de la nourriture.

le modèle directif - le maître montre

un montage préparé la veille est disposé sur la table du maître; les enfants analysent avec le maître.

Si le montage exemplaire est pris comme DÉCLENCHEUR, il est tout à fait recevable. S'il est pris comme support d'apprentissage, il est d'un autre âge.

le modèle protocole expérimental ou TP (travaux pratiques)

les enfants ont a leur disposition un polycopié du montage à réaliser, des questions à se poser... ils doivent dessiner le montage terminé, le légender, répondre aux questions....

ce modèle me semble inadapté au primaire (et même au collège); il faut prendre le TEMPS (et au primaire c'est encore possible, au collège c'est probablement impossible) de développer l'autonomie de l'enfant. Vraiment l'aider à raisonner par lui-même cette méthode expérimentale. Qu'il comprenne avec ses mains et sa tête que c'est vraiment un outil de connaissance du monde.

Une séquence... proposée après une visite pour une classe de CM

objectif spécifique méthodologique (TRÈS AMBITIEUX) : initier les enfants à la démarche expérimentale : l'enfant doit savoir proposer une hypothèse dans le cadre du problème biologique posé, la tester au moyen d'une expérience, et conclure en disant si son hypothèse est vérifiée ou non et si il peut donc proposer une généralisation à cette hypothèse.

• séance préliminaire: montages d'œillets dans de l'eau colorée, et de plantules (avec feuilles et racines) à la lumière et à l'obscurité dans des récipients plein d'eau mais non étanchéifiés.
• séance 1 (quelques jours plus tard): analyse des résultats avec les enfants (regroupement) et mise en place la totalité des problèmes biologiques (absorption, conduction, rejet; le dernier n'étant à mon avis pas accessible facilement par des expériences à ce niveau d'enseignement). C'est ici qu'intervient la phase de formalisation du cadre de la méthode expérimentale qui peut prendre par exemple la forme d'une affiche qui va rester définitivement au mûr de la classe.
• séance 2
  * regroupement: on reprend les problèmes soulevés la fois précédente et les enfants se répartissent en binômes pour répondre à l'un ou l'autre (ils peuvent prendre tous le même, mais c'est dommage)
  * par binôme: tout le travail est ensuite noté au fur et à mesure dans un cahier d'expériences avec les mots et les schémas des enfants, ce cahier ne fait pas l'objet d'une évaluation; on cherche des hypothèses qui sont des affirmations qui répondent au problème; on propose des expériences (sur le papier d'abord) qui testeront ces hypothèses.
  On peut éventuellement faire un regroupement pour que chaque binôme explique aux autres ce qu'il va faire: de la confrontation naît souvent d'excellentes corrections de montages irréalistes ou pour lesquels une donnée essentielle a été oubliée (si jamais au cours de cet échange la notion de témoin apparaissait je serais ravi... mais je suis partisan de ne pas l'introduire volontairement). Le matériel doit être réuni pour la fois d'après... à charge de tous.
• "séance 3" (les séances peuvent être en fait échelonnées dans le temps puisqu'ici il n'y a pas de regroupement)
  *mise en place des expériences par binômes; il serait préférable de mettre en place des règles communes: emplacement de l'expérience qui ne doit pas être déplacée par des curieux, bien noter les conditions initiales et faire des observations intermédiaires....je précise que cette étape DOIT être reposante pour le maître. (des idées : la conduction dans la tige peut se faire sans racines (on place un bout de tige sans racines dans l'eau colorée); et sans feuilles (morceau de tige... dans un sens ou dans le sens inverse pour voir si le transport est orienté...); on peut utiliser des petites tiges mortes desséchées pour comparer avec une tige vivante ; on peut plonger dans le liquide coloré des feuilles, la tige en haut ; pour vérifier si le colorant n'est pas nocif on peut garder des plantes entières pendant un certain temps dans l'eau et dans le colorant ...on ne pourra conclure que nettement plus tard ; on peut placer toute une plante dans le colorant, le haut vers le bas et les racines à l'air, les feuilles seules à l'air....; on peut aussi essayer de mesurer précisément (quantifier) la quantité d'eau absorbée par une plante pendant un temps donné...; certains enfants peuvent aussi vouloir utiliser la loupe binoculaire ou le microscope à des fins d'observations plus précises: cela peut aussi s'inscrire dans la démarche expérimentale: la présence de tuyaux (tubes) peut être une presque-hypothèse qui peut être vérifiée par l'observation de coupes longitudinales et transversales...on peut aussi utiliser le mél et chaque binôme envoyer un bref descriptif de son expérience à monsieur Stouff qui répondra à chacun.... l'idée de toute façon étant que le maître n'intervient que dans l'aide à la proposition des hypothèses qui doivent réellement répondre à un vrai problème biologique (et non des hypothèses du genre: la plante est verte, elle vit, elle boit, elle souffre, elle crache...); toutes les expériences qui ne seront pas concluantes (qui ne valideront pas l'hypothèse où qui ne seront pas pertinentes car elles feront varier plusieurs paramètres à la fois....) seront des occasions d'apprentissage; il est certain qu'avec cette méthode non directive on n'est pas sûr du résultat....
  * observation du résultat, conclusion, préparation de l'exposé devant le groupe classe
• séance 4 (regroupement indispensable car c'est ici que la majorité des apprentissages se feront ... peut-être) chaque binôme expose ses résultats, on critique, on note au fur et à mesure une trace écrite commune (sur la méthode expérimentale employée: problème-hypothèse-expérience-conclusion; et sur le notionnel: nutrition (de l'eau pour se nourrir, pour grandir et pour se reproduire): absorption-conduction-rejet).