Travaux pratiques de laboratoire (troisième et quatrième années)

L'auteur, Daniel Geerinck, professeur de biologie à l'Athénée communal Fernand Blum de Schaeerbeek, met à la disposition de collègues ses trente ans d'expérience dans la préparation de laboratoires de biologie.

Du fait que le matériel qu'il a pu se procurer durant toute cette pétiode n'est pas multiple, les étudiants travaillent soit seuls soit par équipes de deux sur un sujet choisi ,par roulement pendant ces deux années de laboratoire. Pour certains thèmes, il est parfois possible de permettre deux équipes en même temps. Bien sûr, si l'enseignant possède suffisamment de matériel, il peut envisager un autre système de rotation. En conclusion, ce qui est proposé ici, est conditionné par la structure de la salle de laboratoire et par les horaires. En troisième, les séances sont d'une heure (en réalité cinquante minutes) de laboratoire par semaine, parfois de deux heures toutes les deux semaines. En quatrième, les séances sont de trois heures consécutives, toutes les trois semaines.

Pour chacun des 14 thèmes proposés, une introduction est proposée ainsi que le protocole des expériences ou des observations. Les résultats prévus ne sont pas annoncés dans ce protocole; les étudiants doivent les découvrir et les commenter avec l'aide de leur cours théorique et d'éléments bibliographiques mis à leur disposition.

Instructions

Les laboratoires consistent en une série d'expériences ou d'observations sur un thème donné dont l'étudiant doit rendre compte dans un cahier de laboratoire (cahier de format A4 et non un classeur ni un autre système à perforations afin d'éviter au maximum les transmissions trop aisées des résultats sur feuilles volantes d'une équipe à l'autre, ainsi que la perte de ces feuilles) qui sert de guide pour tous ses travaux. Chaque page est ornée d'une marge d'environ 3 cm à gauche dans laquelle l'élève inscrit la date de l'activité. Les laboratoires proposent 14 sujets dont l'un est choisi suivant les possibilités pour une période de cours (4 à 5 semaines). Certains thèmes s'effectuent seul (1), d''autres préférentiellement par équipe de deux personnes (2). En voici la liste:

Pour chaque nouveau thème abordé, l'étudiant inscrit le titre du laboratoire dans son cahier et lit attentivement le protocole. Avant de réaliser les expériences, l'étudiant doit préparer son travail, en l'organisant par écrit dans son cahier, en envisageant le matériel nécessaire pour les expériences prévues à chaque séance, en prévoyant le temps dont il dispose pour mener à bien chaque expérience ainsi que le temps de nettoyage et de rangement. Ensuite il passe à l'action en réalisant lors d'une séance d'abord une expérience de longue durée et en intercalant l'une ou l'autre expérience plus courte, ceci afin d'être le plus efficace possible. La préparation est aussi importante que la réalisation, afin de ne pas se lancer dans le travail sans comprendre. Pour chaque expérience ou observation, l'étudiant consigne la liste du matéreil utilisé, le schéma d'expérimentation avec légende, les résultats et les conclusions ainsi qu'à la fin du thème choisi, une conclusion générale et la bibliographie éventuelle.

L'élève prend lui-même dans l'armoire, le matériel de verrerie et sur les tables ou le réfrigérateur le petit matériel nécessaire (agitateurs, bouchons, pinces,...); par contre il demande toujours, de préférence en début de séance, les produits chimiques ainsi que le matériel précieux (balances, microscopes,...); en aucun cas il ne prend ni ne remet en place sans autorisation les produits chimiques à l'exception de l'eau déminéralisée. Il n'oublie pas d'apporter le matériel qui lui incombe. Sauf indication contraire, toutes les activités s'effectuent à la table de classe correspondant au numéro du laboratoire choisi.

En fin de séance. l'étudiant laisse le matériel précieux à la place qu'il occupe, rend les produits chimiques au professeur qui les range lui-même, nettoie et remet à sa place le petit matériel utilisé, la verrerie nettoyée sur l'égouttoir, libère sa table de travail et ne quitte la séance qu'après le paraphe du professeur dans le cahier de laboratoire.

S'il faut conserver des expériences en cours pour la séance suivante, un rangement et un étiquetage appropriés se font avec l'accord du professeur.Tous les produits sont utilisés avec parcimonie avec des cuillerères distinctes, sèches et propres, ainsi que la consommation du gaz en bonbonne, car le matériel coute cher.

Durant les laboratoires, la discipline est rigoureuse et l'efficacité de mise. Les paroles sont limitées au strict nécessaire et aucun bavardage ni aucune dissipation ne sont tolérées. La patience est aussi de rigueur en particulier si les groupes de travail sont nombreux car le professeur doit s'occuper de tous les groupes.

Certains laboratoires sont effectués par un seul étudiant, d'autres par équipe de deux; dans ce cas, chacun prend des notes dans son propre cahier de laboratoire. Une cote est attribuée à chaque période en tenant compte de l'application, de la tenue du cahier et de la valeur des résultats et des conclusions avec un minimum de fautes d'orthographe. Toutes les formes appropriées d'expression sont utilisées: dessins de précision (au crayon noir uniquement), schémas (crayons de couleur, pas de marqueurs), graphiques, pourcentages,...

Quelques conseils de prudence

Ne jamais pipeter des liquides visqueux ou à précipités (amidon, eau de chaux,…) ni des liquides dangereux (acides, bases). Remettre les pipettes à l'envers sur l'égouttoir approprié.

Ne jamais chauffer trop fortement les éprouvettes; les maintenir au sommet de la flamme de gaz; les tenir au moyen d'un pince avec l'ouverture loin des expérimentateurs; un changement de coloration ou l'ébullition termine le chauffage.

Ne bouillir sur la plaque chauffante que les solides dissou(t)s ou au bain-marie.

Par eau, on désigne toujours, sauf indication contraire, de l'eau déminéralisée, désionisée ou distillée. L'eau de ville est l'eau du robinet.

Laboratoire n°1: Les éléments de la vie.

Introduction

La matière est constituée d'atomes ou éléments, tous consignés dans le tableau de Mendeléev. Ceux-ci s'assemblent et se dissocient en formant des molécules suivant des lois chimiques précises. Les molécules, en mélange, sont à la base de la matière minérale et de la matière organique (vivante). Un produit chimique pur ne contient qu'une seule sorte de molécules.

La matière vivante est constituée de quelques éléments principaux comme le carbone (symbole C), l'oxygène (symbole O), l'hydrogène (symbole H), l'azote (symbole N), le soufre (symbole S), le phosphore (symbole P),...

Les molécules sont traduites en formules d'après leur composition atomique: ainsi l'eau pure - H2O - dont chaque molécule contient 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène; le glucose - C6H12O6 - dont chaque molécule contient 6 atomes de carbone, 12 d'hydrogène et 6 d'oxygène.

Expériences

Déposer dans deux éprouvettes un fragment animal et un fragment végétal (à apporter par l'étudiant); chauffer et observer l'apparition éventuelle de vapeur d'eau (pourquoi?)

Chauffer dans le four (au maximum), dans un creuset de porcelaine, un fragment animal ou végétal (à apporter pat l'étudiant) et préalablement pesé; constater d'abord le noircissement du fragment (pourquoi?); ensuite observer le blanchiment du fragment (pourquoi?); peser le résidu de sels minéraux et calculer le pourcentage (expérience très longue pouvant se prolonger aux séances suivantes).

Remarque: La seconde partie de cette expérience n'est réalisable que si on dispose du gaz de ville à débit fort et d'un bec busen, et demande plus d'une heure..

Broyer dans un mortier environ 1 cm3 de blanc d'œuf cuit (à apporter par l'étudiant) avec la même quantité de poudre de d'oxyde de cuivre - CuO -; chauffer dans une éprouvette; observer l'apparition de gouttelettes d'eau sur la paroi de verre (pourquoi?). Recommencer avec de la poudre végétale sèche. Expliquer la différence de principe.

Broyer dans un mortier environ 1 cm3 de blanc d'œuf cuit avec la même quantité de chaux sodée - Ca(OH)2 - NaOH -; chauffer le mélange dans une éprouvette; observer le dégagement de vapeurs d'ammoniac - NH3-, ce qui indique la présence d'azote dans la matière vivante; maintenir dans les vapeurs un papier indicateur universel (pH 0-14) de coloration (l'ammoniac est basique - pH supérieur à 7); maintenir dans les vapeurs une tige de verre préalablement trempée dans du chlorure d'hydrogène - HCl - (le chlorure d'hydrogène est acide - pH inférieur à 7) ainsi qu'un autre papier indicateur; observer la coloration provoquée par la fumée de chlorure d'ammonium - NH4Cl.

Chauffer dans une éprouvette un fragment animal ou végétal peu coloré (blanc d'œuf pas trop frais, lait, tige de céléri, tubercule de pomme de terre,... à apporter par l'étudiant) avec de l'eau puis verser 2-3 cm3 d'une solution de nitrate d'argent - AgNO3 - (0,1 %); chauffer éventuellement; observer éventuellement un précipité blanc de chlorure d'argent - AgCl, ce qui indique la présence de chlore. Effectuer une expérience analogue à la précédente mais avec une solution d'oxalate d'ammonium - C2O4(NH4)2 - (0,1 %); observer un précipité blanc d'oxalate de calcium - C204Ca, ce qui indique la présence de calcium. Effectuer une autre expérience analogue à la précédente mais avec une solution d'acétate de plomb - C4H6O4Pb - (1 %); observer éventuellement un précipité noir de sulfure de plomb -PbS, ce qui indique la présence de soufre. Cette expérience ne semble plus fonctionner ces dernières années, probablement à cause de la composition actuelle des œufs produits sinistrement en batteries; à essayer avec un œuf de ferme?

Remarque: Cette série d'expériences n'est pas évidente. Celle avec l'acétate de plomb ne produit plus jamais de sulfure de plomb; les œufs actuels de poule ne contiennent plus assez de soufre et ne pourrissent plus aussi vite qu'autrefois.

Laboratoire n°2: Les glucides.

Introduction

Les glucides ou sucres sont des molécules organiques énergétiques. Elles sont constituées des éléments C, H, O. On distingue les sucres simples tels que le glucose et le fructose, les sucres doubles tels que le maltose et le sacc(h)arose (sucre de table) et les sucres multiples tels que l'amidon et la cellulose. Un sucre double est le résultat de la réaction chimique entre deux sucres simples, soit identiques soit différents; un sucre multiple est le résultat de la réaction chimique de nombreux sucres simples. On peut comparer un sucre multiple à un train dont les wagons sont des sucres simples associés.

Expériences

Mélanger (par le professeur), dans une éprouvette et à quantités équivalentes, de la liqueur de Fehling A (bleue) et de la liqueur de Fehling B (incolore); ce mélange est à conserver durant toute la séance pour les différentes expériences qui suivent (prévoir le nombre de tests à effectuer pour déterminer le volume de liqueur de Fehling à préparer).

Dissoudre dans une éprouvette environ une petite demi-cuillère de glucose dans environ 3 ml d'eau; ajouter la même quantité de liqueur de Fehling préparée; chauffer et observer éventuellement l'apparition d'une coloration rouge orangé d'oxyde de cuivre - Cu2O. Recommencer cette expérience avec d'autres sucres, des jus de plantes, un morceau de pomme terre crue et cuite, du lait (à apporter par l'étudiant); comparer les résultats obtenus sous forme de tableau; ceux-ci sont plus fiables si on compare des quantités équivalentes et en chauffant en même temps au bain-marie.

Ajouter goutte à goutte, dans une éprouvette, de l'ammoniaque - NH4OH - dans une solution de nitrate d'argent - AgNO3; observer une altération blanchâtre mais continuer à verser goutte à goutte jusqu'à ce que cette trace se redissolve; ce réactif est à conserver durant toute la séance pour diverses expériences.

Remarque: Ne pas gaspiller le nitrate d'argent qui est très cher. Parfois l'altération blanchâtre ne s'observe pas.

Dissoudre dans une éprouvette, environ une demi-cuillère de glucose avec 3 ml d'eau; ajouter la même quantité du réactif précédent; chauffer au bain-marie; observer le précipité d'argent. Recommencer la même expérience avec d'autres sucres et effectuer un tableau de comparaison.

Colorer dans un récipient plat, une demi-cuillère d'amidon au moyen de Lugol (solution aqueuse saturée d'iode - I2 - et d'iodure de potassium 10% - KI -; observer; recommencer avec un morceau de pain, de banane, de pomme de terre, de champignon (à apporter par l'étudiant); observer au microscope des grains d'amidon, de banane et de pomme de terre; dessiner; colorer éventuellement (voir laboratoire n°7).

Dans un Erlenmeyer de 250 ml rempli d'eau, mélanger deux cuillères d'amidon; prendre 3 ml du mélange dans deux éprouvettes, l'une avec un peu de liqueur de Fehling, l'autre avec du Lugol (témoins); ajouter dans l'Erlenmeyer quelques gouttes de chlorure d'hydrogène - HCl - puis chauffer; à partir de l'ébullition, prélever toutes les 10 minutes deux fois environ 3 ml du mélange dans deux éprouvettes, l'une avec de la liqueur de Fehling, l'autre avec du Lugol; observer. Cette expérience très longue n'est réalisable qu'en 4è année (laboratoire d'une demi-journée).

Couper des quantités équivalentes (environ 2 cm3 de bananes à différents stades de maturité (à apporter par l'étudiant), une peu mûre, une bien mûre, une très mûre; placer les fragments équivalents dans des éprouvettes différentes et ajouter dans chacune 5 ml de liqueur de liqueur de Fehling; chauffer ensemble au bain-marie; observer et comparer. On peut chauffer toutes les éprouvettes en même temps au bain-marie pour faciliter la comparaison.

Laboratoire n°3: Les lipides et les protides.

Introduction

Les lipides ou corps gras sont des molécules organiques de protection. Elles sont constituées des éléments C, H, O. On distingue les huiles d'aspect liquide et les graisses proprement dites, d'aspect solide. Chimiquement ce sont des esters résultant de la réaction entre des acides gras (acide palmitique - C16H32O2 - de l'huile de palme, acide arachidique - C20H40O2 - de l'huile d'arachide, acide oléique - C18H34O2 - de l'huile d'olive,...) et des alcools (glycérol, cholestérol, cétol,...). Les acides gras dits saturés fournissent les graisses et et les non saturés produisent les huiles; par une opération dite d'hydrogénation, on transforme cependant des huiles en graisses appelées margarines, restant partiellement non saturées. Les lipides sont insolubles dans l'eau; ce mélange forme une émulsion temporaire; un émulsifiant tel le savon permet de stabiliser le mélange.

Les protides ou protéines sont des molécules organiques de structure. Elles sont constituées des éléments C, H, O, N, S. Chimiquement ce sont des polymères d'acides aminés, c'est-à-dire de longs "trains de wagons" de 20 types différents.

Expériences

Mélanger dans une éprouvette et en mêmes quantités (environ 3 cm3), de l'eau et de l'huile; observer; laisser reposer; observer; ajouter la même quantité de méthanol; agiter; laisser reposer et observer.

Tracer sur une feuille de classeur, son prénom avec le doigt recouvert de vaseline; observer à la lumière.

Déposer dans une éprouvette quelques cristaux d'hyposulfite de potassium - KHSO3 - recouverts d'huile; chauffer; observer les vapeurs blanches et acres d'acroléine - C3H40, formée par la décomposition des lipides.

Verser dans une éprouvette et en quantités égales, de l'huile, de l'eau, du méthanol et quelques cristaux de soude - NaOH - ou de potasse - KOH -; chauffer et observer en surface la formation d'une couche de savon; le récolter et après refroidissement l'uliliser pour se laver les mains (attention de ne pas se laver avec le liquide subsistant, contenant de la soude dangereuse).

Placer 15 g de margarine dite "light" et de margarine dite "extra light" (à apporter par l'étudiant) dans deux béchers; les faire fondre et les transférer dans des verres gradués; mesurer les deux phases puis calculer et comparer le pourcentage des échantillons. Attention: rapidement nettoyer la verrerie, en ne laissant pas la graisse se figer.

Remplir à moitié 2 éprouvettes avec de l'eau de ville; ajouter une vingtaine de gouttes d'huile et dans l'une la même quantité d'émulsifiant (détergent); agiter les éprouvettes puis prélever une cuillère à café dans une boîte de Pétri et y ajouter une pincée de colorants (bleu de méthylène, amarante, diméthylaminobenzène, fuchsine... au choix).

Chauffer dans une éprouvette, un peu de blanc d'œuf (à apporter par l'élève); observer la coagulation.

Ajouter dans une éprouvette, à un peu de blanc d'œuf, quelques ml de chlorure d'hydrogène - HCl -; observer.

Placer dans une éprouvette un morceau (quelques ml) de blanc d'œuf éventuellement cuit; le recouvrir d'acide nitrique - HNO3 -; chauffer éventuellement; rincer à l'eau de ville après quelques minutes sans perdre l'échantillon puis le couvrir d'ammoniaque - NH4OH -; observer une coloration éventuelle.

Placer dans une éprouvette un fragment de blanc d'œuf, le couvrir d'une solution de sulfate de cuivre - CuSO4 - à 4 % pendant quelques minutes; rincer à l'eau de ville l'échantillon sans le perdre et le recouvrir d'une solution de soude - NaOH - ou de potasse - KOH - à 4 %; observer une coloration éventuelle.

Refaire les deux expériences précédentes avec d'autres fragments animaux et végétaux (à apporter par l'étudiant), ainsi qu'avec des protéines connues. Ces tests colorés permettent de les déceler; comparer la fiabilité des deux tests en utilisant de préférence des quantités équivalentes.

Laboratoire n°4: La photosynthèse.

Introduction

C'est le phénomène par lequel les végétaux fabriquent leur matière organique. Il a lieu au niveau des feuilles avec la lumière comme source d'énergie. La plante transforme ainsi l'eau et le gaz carbonique - CO2 - en sucre et en gaz oxygène - O2 -.

Ce sont les pigments contenus dans les feuilles qui captent la lumière; il y en a de plusieurs types: les chlorophylles vertes, les xanthophylles jaunes, les carotènes orangées, les anthocyanes bleues et rouges (chez les algues).

Expériences

Regarder au microscope des cellules d'algues, de mousses, de plantes aquatiques telles que l'élodée; dessiner chaque type de cellule ainsi que son contenu cellulaire (voir laboratoire n°7).

Déchirer en petits morceaux une ou plusieurs feuilles bien vertes d'une espèce choisie (à apporter par l'étudiant); les placer dans un bécher de 250 ml, de manière à obtenir une épaisseur de débris foliaires d'environ 2 cm; recouvrir exactement ceux-ci de méthanol; chauffer le bécher sur la plaque électrique jusqu'à ébullition et obtention d'un jus bien vert (ne pas laisser évaporer totalement); pendant ce temps préparer un papier filtre rectangulaire d'environ 10 cm de longueur et d'une largeur telle qu'il entre exacement dans un bécher de 100 ml; mettre dans ce bécher (sans le papier) 1 cm de hauteur de méthanol; tracer à 2 cm du bord inférieur du papier filtre, une ligne horizontale, mince et d'un vert intense du jus préparé, au moyen d'une pipette (à nettoyer de suite après emploi) et en appuyant goutte à goutte; déposer verticalement le papier dans le fond du bécher sans que la ligne verte n'atteigne le méthanol; ne toucher plus et observer pendant une demi-heure et expliquer (expérience longue à commencer rapidement en début de séance).

Sur la même lancée, prélever environ 3 ml du jus vert dans une éprouvette; ajouter doucement la même quantité d'éther de pétrole; observer; agiter puis laisser reposer; observer et expliquer.

Remplir d'eau de ville, un bécher de 1 l; remplir sans trop serrer un petit entonnoir de plantes aquatiques et le déposer à l'envers dans le bécher, sous l'eau et surmonté d'une éprouvette remplie d'eau (ne pas laisser de bulles); éclairer et observer durant plusieurs séances, jusqu'à remplissage complet de gaz (expérience à commencer rapidement en début de séance). Par la suite (environ un mois plus tard quand le tube ne contient plus d'eau), relever délicatement l'éprouvette hors de l'eau et y introduire une allumette éteinte à l'instant (ne pas toucher la paroi mouillée).

Remarque: Il faut ajouter régulièrement de l'eau dans le bécher à cause de l'évaporation.

Préparer 4 éprouvettes avec un morceau semblable de plante aquatique; remplir la n°1 d'eau de ville, la n°2 avec de l'eau de ville et un peu d'eau de chaux, la n°3 d'eau de ville préalablement bouillie et refroidie (à préparer rapidement), la n°4 d'eau bouillie refroidie et additionnée d'eau gazeuse (à apporter par l'étudiant); éclairer et observer jusqu'à la fin de la séance (expérience longue à commencer rapidement).

Laboratoire n°5: La sensibilité.

Introduction

Ce sont les systèmes de perception de l'environnement. Particulièrement développés chez les animaux supérieurs par un système nerveux centralisé. Ils sont traditionnellement comptés au nombre de cinq: le toucher (peau), l'ouïe (oreilles), la vue (yeux), l'odorat (nez) et le goût (langue).

Expériences

Au moyen d'une paire de ciseaux à bouts pointus ou d'un compas à deux pointes sèches (à apporter par l'étudiant), piquer légèrement le partenaire de travail avec les deux pointes afin de mesurer l'écartement nécessaire pour la double perception; si les pointes sont rapprochées, il n'y a qu'une seule perception. Le test est effectué sur différentes parties du corps, notamment la paume de la main (écartement entre 5 et 12 mm), le dos de la main (écartement entre 1,5 et 5 mm), le doigt (écartement entre 1 et 5 mm), le dos (écartement entre 1,5 et 5 mm),... Utiliser une règle graduée en millimètres.

Dessiner sur la totalité de la paume ainsi que sur le dos de la main du partenaire, une grille carrée de petits carrés de 1 cm de côté et reproduire ces deux grilles sur le cahier de laboratoire. Chauffer dans un bécher contenant de l'eau, 5 clous; maintenir dans le surgélateur 5 autres clous; toucher rapidement au moyen d'une pince un clou chaud sur les différentes cases de la main; faire les mêmes opérations avec les clous froids (à préparer d'avance au surgélateur) puis sur l'autre face de la main.

Remarque: Il faut éventuellement changer de clou bien maintenu au chaud ou au froid, en cours d'opération.

Dessiner avec la légende un œil du partenaire (sourcils, cils, paupières, iris, pupille) en respectant les proportions et les couleurs.

Approcher avec prudence d'un œil du partenaire une lampe (de 25 W); allumer, constater et mesurer la modification de la pupille; dessiner la cornée et la pupille avec les proportions; mesurer la surface de la pupille et calculer le pourcentage de modification.

Placer un carton sur la tranche et selon le pointillé d'un dessin symétrique (à demander au professeur); coller le nez sur le carton de manière telle que l'œil gauche ne voit que la figure gauche et que l'œil droit ne voit que la figure droite, après quelques secondes, on voit une autre figure (à dessiner).

Tenir à bout de bras, un carton (à demander au professeur) montrant deux cercles horizontaux d'environ 1 cm de diamètre et distants d'environ 12 cm, l'un rouge et l'autre bleu; fermer l'œil gauche et fixer le rond gauche de l'œil droit; rapprocher doucement le carton et à une certaine distance à mesurer, le rond droit disparait. Refaire l'exercice avec l'autre œil.

Soit un carton (à demander au professeur) sur lequel est dessiné un cœur stylisé et coloré en vert, avec une bordure jaune vif, le tout ombré pour former un rectangle et enfin un point noir au centre du cœur; fixer le point noir pendant 20 secondes puis regarder immédiatement une feuille blanche; constater et dessiner avec les couleurs appropriés; expliquer. Recommencer avec d'autres couleurs originelles.

D'autres tests sur la vue sont éventuellement disponibles.

Préparer 4 éprouvettes contenant chacune 10 ml d'eau; dans la n°1, introduire 1 g (ou une cuillère à café) de café soluble, dans la n°2, 1 g de sucre, dans la n°3, 1 g de sel, dans la n°4, 10 ml de vinaigre sans eau; prélever chaque fois une quantité déterminée au moyen d'une pipette et laisser tomber une goutte sur divers endroits de la langue (avant, centre, arrière, côtés); établir une carte de sensibilité. On peut effectuer ces expériences simultanément ou successivement suivant le temps disponible.

Diluer une fois, deux fois, trois fois,... les solutions précédentes et laisser tomber une goutte sur la zone la plus sensible de la langue pour le goût étudié, afin de déterminer le seuil de sensibilité. Pour diluer, on prélève 10 ml du produit testé et on ajoute 10 ml d'eau; on procède de la même manière pour les dilutions successives.

 Laboratoire n°6: La digestion.

Introduction

Les aliments sont formés essentiellement des trois grandes familles de molécules organiques, constituant la matière vivante: glucides, lipides et protides (voir laboratoires nos 2 et 3). Ils sont d'abord réduits par action mécanique des dents; ensuite ils sont digérés, c'est-à-dire décomposés en molécules plus simples, à divers niveaux de l'apparel digestif. Ce sont des sucs digestifs contenant des enzymes qui décomposent la matière vivante.

Le suc salivaire décompose l'amidon (sucre multiple) en maltose (sucre double) dans la bouche; le suc gastrique décompose les protéines en peptides dans l'estomac; le suc biliaire permet l'émulsion (mélange avec l'eau) des graisses dans l'intestin; le suc intestinal et le suc pancréatique décomposent les autres sucres en sucres simples, les peptides en acides aminés et les graisses en acides gras et alcools. Ces molécules simples traversent alors la paroi intestinale, pénètrent dans le sang où elles vont reconstituer des glucides, des lipides et des protides propres à l'espèce animale. Certaines molécules ne sont pas digérées et passent directement dans le sang (eau, éthanol, glucose, vitamines, drogues, médicaments,...); d'autres non utilisables sont rejetées (cellulose des parois cellulaires, kératine des poils et des plumes,...).

Seule la digestion avec le suc salivaire est envisageable ici.

Expériences

Etablir la formule dentaire d'une dizaine d'individus au choix soit de même âge soit d'âges différents; indiquer les caries et les dents perdues. Même étude avec des animaux familiers ou avec les crânes du laboratoire.

Observer et dessiner avec légende, une coupe microscopique de foie, d'intestin (voir laboratoire n°7).

Remarque: Ce sont des coupes achetées.

Mâcher d'une part un morceau de pain (à apporter l'étudiant); tester l'évolution du goût pendant 1 ou 2 minutes; cracher dans deux éprouvettes et ajouter quelques ml de lugol d'une part et de liqueur de Fehling d'autre part (voir laboratoire n°2);.chauffer dans le second cas et observer; recommencer éventuellement avec de la pomme de terre, du riz, des pâtes, une banane,... Comparer avec des échantillons non mâchés (témoins).

Chauffer dans un erlenmeyer trois cuillères d'amidon dans le l'eau distillée, afin de le cuire (sur la plaque chauffante); verser quelques ml de liquide dans 6 éprouvettes; préparer une autre avec de la salive (ne pas chiquer préalablement). Dans l'éprouvette n°1, ajouter quelques gouttes de lugol; dans la n°2, 2-3 ml de liqueur de Fehling; dans la n°3 quelques gouttes de salive et, après agitation puis 2 minutes de repos, ajouter quelques gouttes de lugol; dans la n°4, même processus mais ajouter 2-3 ml de liqueur de Fehling; dans la n°5, ajouter d'abord de la salive puis quelques gouttes de chlorure d'hydrogène - HCl - ensuite du lugol; dans la n°6, même processus mais finalement avec la liqueur de Fehling. Utiliser tou-jours les mêmes quantités pour comparer. Effectuer ces expériences avec de l'amidon cuit et maintenu à environ 35°; puis refroidit au réfrigérateur (5°), enfin à 70° (thermomètre).On peut essayer aussi le même processus avec des aliments à base d'amidon.

Dessiner, à la loupe binoculaire puis au microscope, un poil glanduleux de rossolis (Drosera capensis vendu dans le commerce) qui est une plante carnivore (voir laboratoire n°7).

Laboratoire n°7: La microscopie.

Introduction

Le microscope optique est constitué de deux lentilles, l'objectif près de l'objet à étudier, l'oculaire près de l'œil. Des objectifs de différentes valeurs sont installés sur un barillet et les oculaires peuvent être changés. Le microscope a soit une lampe incorporée avec un interrupteur soit une lampe séparée (pas plus de 25 W pour ne pas chauffer dangereusement les préparations) dont la lumière est réfléchie par un miroir qu'il faut régler. Placer la lame de verre préparée sous la lentille objectif la plus faible et mettre grossièrement au point avec la vis macrométrique puis effectuer une mise au point affinée avec la vis micrométrique; si nécessaire tourner le barillet vers les objectifs plus puissants (ne pas utiliser la vis macrométrique au plus fort grossissement - danger d'abîmer la lentille et la préparation -; si au plus fort grossissement la vision n'est pas claire on peut ajouter, selon le cas, un goutte d'eau distillée ou une goutte d'huile d'immersion entre la préparation et la lentille (bien les essuyer après emploi). Le grossissement utilisé est calculé en multipliant la puissance inscrite sur l'objectif par celle de l'oculaire.

Expériences

Examiner diverses lames préparées sur un thème choisi pour comparaisons (poils végétaux, tissus animaux, tissus végétaux, protistes élevés en aquarium, animaux planctoniques, divisions cellulaires, pollens,...).

Examiner une goutte d'eau d'aquarium, d'étang; la déposer sur une lame de verre et la recouvrir d'une fine lamelle; la goutte tient par capillarité. Après emploi rincer et essuyer (attention les lamelles sont fragiles et coupantes).

Pour colorer une préparation: soit déposer une goutte de colorant (voir liste spécifique à demander au professeur) avant de placer la lamelle soit déssècher légèrement la préparation en posant un papier filtre contre la lamelle et remplacer ensuite le papier filtre par une goutte de colorant (méthode qui permet d'oberver la progression de pénétration du colorant introduit et maintenu par capillarité).

Pour réaliser des coupes fines de matériel végétal: couper un morceau d'environ 1/2 cm de long et de large, hacher parallèlement et rapidement une série de tranches au moyen d'une lame de rasoir; sélectionner les plus fines et examiner.

Pour conserver une préparation aqueuse: sceller des quatre côtés de la lamelle par une fine trace de paraffine fondue. Pour conserver longuement une préparation non aqueuse: tremper pendant quelques minutes le matériel dans de l'eau glycérinée puis dans de la glycérine pure; pendant ce temps déposer avec une lancette une "noisette" de gélatine au centre d'une lame; la chauffer légèrement pour faire fondre la gélatine sans provoquer de bulles; placer dans la gélatine la matériel à examiner et recouvrir de la lamelle (en évitant les bulles d'air); laisser refroidir et sècher; étiqueter.

Au moyen d'un anneau, souffler des bulles à partir d'une solution de savon noir ou de savon préparé et observer la construction des membranes comparables à celles des cellules.

Laboratoire n°8: L'évapotranspiration végétale et l'osmose.

Introduction

La chaleur provoque une perte d'eau chez les végétaux principalement à la face inférieure des feuilles. Celles-ci sont recouvertes d'une matière cireuse (cuticule) surtout à la face supérieure et sont percées d'orifices (stomates) surtout à la face inférieure. Ce phénomène physique provoque ainsi l'entrée d'eau et des sels minéraux au niveau des racines.

L'osmose est un phénomène physique qui tend à égaliser les concentrations de deux solutions séparées par une membrane semi-perméable qui ne laisse passer que de petites molécules.

Dans un environnement adéquat, normalement une cellule est gonflée d'eau au maximum (état de turgescence); si elle perd son eau, elle se plamolyse. Le phénomène est éventuellement réversible.

Expériences

Au moyen d'une pipette remplie d'un liquide coloré (bleu de méthylène, fuchsine,...), verser lentement dans l'extrémité en caoutchouc du potomètre posé horizontalement; celui-ci doit être rempli en évitant les bulles d'air. Introduire par le même bout, un rameau feuillé (d'une espèce choisie et à commander d'avance au professeur pour la séance prévue) d'un diamètre équivalent au tuyau de caoutchouc (sans perdre de liquide (boucher le bout en verre avec un doigt et éviter encore les bulles d'air). Poser contre le potomètre, une règle plate et graduée en plaçant le zéro au niveau du début du liquide; allumer une lampe assez forte au temps zéro et mesurer la progression du colorant toutes les minutes. Après la disparition du liquide dans la tige feuillée, couper longitudinalement celle-ci afin d'observer l'entrée du liquide.

Remarque: La température initiale de la plante et l'intervalle ni trop court ni trop long de prélèvement du rameau interviennent dans la réussite de l'expérience; des arbustes à feuilles persistantes tels qu'Aucuba japonica, Prunus laurocerasus conviennent bien.

Suspendre à une extrémité du fléau d'une balance, une feuille assez large (Bergenia, Monstera, Nymphaea, Zantedeschia,...) en laissant le plateau; équilibrer sur l'autre plateau avec les poids (on bloque la balance, on ajoute un poids, on débloque la balance; l'équilibre est atteint quand l'aiguille oscille également de part et d'autre du montant; utiliser une pince pour les poids inférieur à 1 g. Au temps zéro, allumer une lampe forte, face à la feuille et mesurer la perte de poids en fonction en fonction du temps (toutes les 5 minutes) sans éteindre et en équilibrant à chaque mesure.

Remarque: La température initiale de la plante et l'intervalle ni trop court ni trop long de prélèvement du rameau interviennent dans la réussite de l'expérience.

Recouvrir de vaseline, d'une part la face inférieure d'une feuille du type précédent et d'autre part la face supérieure d'une autre de taille semblable; les accrocher aux deux extrémités du fléau, la partie non vaselinée vers la lampe; équilibrer. Au temps zéro, allumer et constater la perte de poids.

Coller une fine lamelle de microscopie sur les deux faces d'une feuille de plante en pot et éclairer fortement; contater l'apparition de gouttelettes d'eau.

Coller de la même manière que précédemment, un morceau de papier filtre préalablement trempé dans une solution de chlorure de cobalt - CoCl2 - et séché au four (au minimum); constater après un certain temps les colorations prises par le chlorure de cobalt.

Observer au microscope (voir laboratoire n°7) les stomates d'une feuille.

Remarque: On peut facilement au moyen d'une lame de rasoir, décoller un morceau d'épiderme d'arum des fleuristes (Zantedeschia aethiopica), aisé à cultiver en classe

Introduire dans une éprouvette, quelques cristaux d'un mélange de saccharose - C12H22O11 - et de ferrocyanure de potassium - K4Fe(CN)6 - (préalablement préparés); verser doucement quelques ml d'une solution de sulfate de cuivre - CuSO4 - à 4 %. Observer l'apparition d'une membrane semi-perméable de ferrocyanure de cuivre - Cu2Fe(CN)6 - gonflée par la pression osmotique. La solution interne est plus concentrée que la solution externe; le saccharose ne peut traverser la membrane d'où l'entrée d'eau jusqu'à son éclatement puis le phénomène recommence.

Remarque: Il est préférable que le professeur dispose d'une réserve de ces cristaux: dissoudre dans l'eau et séparément les deux produits de base en quantités équivalentes puis mélanger les deux solutions dans une récipient plat, facile à gratter et laisser évaporer totalement, ce qui prend plusieurs jours ou semaines suivant la quantité.

Remplir un récipient cylindrique d'eau distillée; boucher une extrémité d'un fin tube en verre avec un morceau de cellophane, fixé avec un élastique, le remplir d'une solution concentrée de saccharose et le plonger dans le récipient de manière telle que les deux liquides soient à même niveau; fixer le tube avec un statif; constater le niveau du liquide après un certain temps.

Couper deux morceaux équivalents de celéri (à apporter par l'étudiant), de 5 cm de longueur, sécher éventuellement et peser; trancher chaque exemplaire à un bout sur la moitié de la longueur; tremper pendant 30 min l'un dans l'eau distillée et l'autre dans une solution saline à 5 % (5 g de chlorure de sodium - NaCl - dans 100 ml d'eau distillée); observer, sécher et peser.

Placer entre lame et lamelle une feuille de plante aquatique (Elodea); déposer une goutte d'eau distillée qui pénètre par capillarité sous la lamelle; observer la turgescence et dessiner une cellule. Placer un papier filtre contre la lamelle afin d'absorber l'eau puis placer une goutte de la solution saline précédente; observer et dessiner la plasmolyse (voir laboratoire n° 7).

Laboratoire n°9: La germination et les tropismes.

Introduction

Les graines contenues dans les fruits, résultent du développement des ovules après leur fécondation par les pollens.

Les graines imbibées d'eau, germent en déployant une tigelle vers le haut et une radicule vers le bas; chez l'embranchement des Anthophytes, la germination s'accompagne éventuellement des cotylédons (= préfeuilles) qui servent d'organe de réserve dans la graine. On distingue d'une part les Dicotylédones à deux préfeuilles opposées et les Monocotylédones à une seule préfeuille; on distingue aussi des cotylédons hypogés qui restent dans le sol et des cotylédons épigés qui sortent de terre; ces cotylédons ont une forme différente des feuilles normales de l'espèce.

La radicule se développe en formant des poils radiculaires qui assurent la nutrition de la plante.

Les tropismes sont des phénomènes de réaction à l'environnement; ces réactions sont soit positives soit négatives. On distingue notamment le phototropisme ou réaction à la lumière, le géotropisme ou réaction à la pesanteur, l'hydrotropisme ou réaction à l'humidité, l'haptotropisme ou réaction au support.

Expériences

Dessiner une graine de haricot (Dicotylédones) et une graine de maïs (Monocotylédones); les couper longitudinalement et dessiner à nouveau (voir légende dans un livre).

Introduire dans une éprouvette une certaine quantité (à peser) de graines choisies; mesurer la hauteur et le volume; les recouvrir d'eau et mélanger; observer en fin de séance; mesurer et peser à nouveau le lot de graines.

Introduire la même quantité de graines particulièrement mucilagineuses (riches en produits muqueux tels que Linum ou Plantago) dans les deux tubes d'un imbibomètre; recouvrir d'eau; mesurer en fonction du temps l'accroissement de volume.

Dans une boîte de Pétri ou de germination, déposer une couche de quelques papiers filtre ou d'ouate puis déposer une dizaine de graines choisies; observer, mesurer et dessiner les résultats obtenus lors des séances ultérieures. Prévoir éventuellement plusieurs lots de graines différentes. Venir vérifier régulièrement au cours de la semaine la conservation de l'humidité.

Au moyen des plantules précédentes, inventer divers dispositifs permettant de montrer les différents tropismes; la dispersion de graines sur les différentes faces d'une brique entourée d'ouate et maintenue dans l'humidité est notamment un procédé fiable.

Dans une série d'éprouvettes contenant des liquides différents (eau distillée, eau de ville, eau colorée, eau salée, eau acidifiée, eau basicifiée, huile, pétrole,...), placer au sommet des plantules suffisamment développées (voir expérience de germination) bloquées par de l'ouate soit au même niveau de la radicule soit à des niveaux différents; constater à la séance suivante; venir vérifier régulièrement le niveau des liquides (évaporation éventuelle).On peut aussi réaliser des systèmes mixtes de superposition de liquides non miscibles dans la même éprouvette.

Dessiner, avec légende, des plantules d'arbres, conservées dans l'herbier du professseur; comparer.

Préparer cinq boîtes de Pétri avec du papier filtre et un certain nombre identique de graines choisies; ajouter, dans la n°1, 10 ml d'eau distillée (témoin); dans la n°2, 10 ml d'acétate de plomb - C4H6O4Pb - à 5 %; dans la n°3, 10 ml d'acétate de plomb à 1 %; dans la n°4, 10 ml d'acétate de plomb à 0,5 %; dans la n°5, 10 ml d'acétate de plomb à 0,1 % (voir laboratoire n°5 pour les dilutions).Observer lors des séances suivantes. On peut étudier le même problème avec d'autres sels solubles de métaux lourds (cobalt, cuivre, zinc,...).

Remarque: Il faut commencer d'abord les germinations (environ 2 semaines pour des plantules utilisables) pour pouvoir effectuer certaines expériences de tropisme.

Laboratoire n°10: La respiration et la circulation.

Introduction

Presque tous les êtres vivants doivent respirer; ils captent du gaz oxygène - O2 - afin d'utiliser leur sucre (glucose), réservoir chimique de l'énergie, et libèrent du gaz carbonique - CO2.

Toutes les cellules d'un individu doivent pouvoir respirer et les êtres pluricellulaires ont développé des appareils respiratoires (branchies, poumons, trachées, lenticelles,...).

Certains êtres vivants récupèrent l'énergie de la nourriture sans consommer d'oxygène: c'est la fermentation qui libère du gaz carbonique et des alcools dont le plus cèlèbre est l'éthanol (bière, vin,...).

Chez les êtres pluricellulaires supérieurs, le gaz oxygène et les autres substances vitales sont transportées par un système circulatoire, la sève chez les végétaux, le sang chez les animaux.

Le sang est un liquide dans lequel baignent des cellules, les globules rouges ou érythrocytes, dépourvus de noyau, et les globules blancs ou leucocytes, pourvus d'un noyau de forme variée.

Le cœur est une pompe musculaire qui propulse le sang dans les vaisseaux (artères et veines). Les contractions du coeur sont les battements; la tension est la pression avec laquelle le sang est propulsé dans les vaisseaux.

Expériences

Allumer une bougie et enfermer-la sous une cloche en verre; mesurer le temps de combustion. Recommencer avec la même bougie mais avec d'autres récipients. Réaliser un graphique de consommation de gaz oxygène en fonction du volume.

Piquer deux grains de café (à apporter par l'étudiant) avec une aiguille plantée à l'autre extrémité dans un bouchon de liège; les enflammer en même temps et les recouvrir de deux récipients de volumes différents; observer et constater.

Verser dans des éprouvettes 10 ml de plusieurs types d'eau; ajouter quelques gouttes d'indicateur universel de pH (degré d'acidité - basicité); agiter et souffler avec une paille ou une pipette; observer.

Dans deux éprouvettes verser 10 ml d'eau de chaux - Ca(OH)2; souffler calmement dans la n°1, jusqu'à l'apparition éventuelle d'un trouble blanchâtre et mesurer le temps de réaction. Effectuer 10, 20 ou 30 flexions des jambes, jusqu'à un certain essoufflement puis souffler dans l'éprouvette n°2; mesurer la vitesse de réaction.

Contrôler l'indicateur universel au moyen de différentes solutions en éprouvette: eau de Javel, soude, ammoniaque, vinaigre, sels.

Construire ou utiliser une cloche en verre ouverte représentant la cage thoracique; le tube en "Y" du sommet représente la trachée, les ballons remplacents les poumons et la membrane en caouchouc de la base désigne le diaphragme. Pincer ou étirer la membrane; constater.

Placer dans un récipient fermé par un bouchon troué pour le passage d'un tube en verre coudé en "U" soit des plantules (voir laboratoire n°9),de la levure dans une solution de glucose à 5 %, des morceaux de carotte, de pomme de terre ou d'autres légumes; tremper l'autre extrémité du tube dans l'eau de chaux; constater lors des séances suivantes, notamment la présence d'alcool, l'odeur et le trouble de l'eau de chaux. Bien boucher avec de la paraffine les interstices du bouchon.

Réaliser un dispositif semblable mais avec un tube triplement coudé (double "U") rempli dans sa zone basse d'un liquide coloré; constater lors des séances suivantes.

Regarder au microscope une lame de sang sec ou de sang frais; dessiner quelques globules rouges et globules blancs (voir laboratoire n°7).

Compter au moyen du stéthoscope, pendant 1 minute, les battements de cœur du partenaire. Effectuer 10, 20, 30,... flexions des jambes et compter à nouveau les battements. Au bout de combien de temps le rythme redevient normal après chaque effort?

Le sang et la lymphe contiennent des anticorps protégeant l'organisme contre les agressions microbiennes. Cetains types de globules blancs peuvent phagocyter les assaillants; d'autres stimulent la fabrication d'anticorps. Réaliser ces opérations au moyen du coffret immunodécouverte.

Laboratoire n°11: L'analyse florale et la détermination de plantes.

Introduction

Rappelons la structure générale de la fleur. Celle-ci est constituée essentiellement de pièces stériles formant son pourtour et appelées périanthe. Ce périanthe est soit formé d'une seule série de pièces (tépales constituant un périgone) ou de deux séries de pièces, les externes généralement vertes (sépales constituant le calice) et les internes généralement colorées autrement qu'en vert (pétales constituant la corolle). À l'intérieur on voit l'appareil reproducteur mâle (androcée constitué d'étamines) et l'appareil reproducteur femelle (gynécée constitué de pistils). Chaque étamine est fondamentalement formée d'un axe stérile appelé filet, surmonté de l'anthère libérant les organes reproducteurs mâles appelés pollens. Chaque pistil est fondamentalement formé de trois parties, le carpelle contenant les organes reproducteurs femelles appelés ovules (les pistils peuvent être soudés en un ovaire) et surmonté du style et du(des) stigmate(s) recevant le pollen. Après la fécondation, les ovules se transforment en graines et les carpelles en fruits.

La dissection des fleurs s'effectue au moyen d'une pince et d'une loupe ou ,si elle est très petite, au moyen d'une loupe binoculaire et de lancettes. Si la fleur est séchée en herbier, on la "revitalise" en la faisant bouillir 1 minute dans l'eau et on la dissèque sur un papier absorbant.

Pour déterminer une plante, on utilise une clé dichotomique, basée sur le principe de la double affirmation opposée avec renvoi à une autre double affirmation que l'on choisit progressivement jusqu'au nom: famille, genre, espèce.

Expériences

Analyser un certain nombre de fleurs fraîches choisies par le professeur; effectuer la formule florale ainsi que le diagramme floral.

Prélever sur divers herbiers, quelques fleurs à bouillir dans un peu d'eau de ville; effectuer la formule et le diagramme floraux. Suivre une clé de détermination pour trouver le nom de l'espèce. Attention, vérifier que la(les) fleur(s) ne sont pas abimées ou mangées. La clé dichotomique mentionne aussi des caractères végétatifs à observer. Sur les échantillons non identifiés précédemment, inscrire sur l'étiquette de l'herbier, le nom de l'espèce ainsi que celui du déterminateur et la date de l'information.

Laboratoire n°12: La détermination de coquillages.

Introduction

L'embranchement des Mollusques, parmi les invertébrés, comporte des animaux qui présentent le plus souvent un coquille calcaire - CaCO3 - externe et éventuellement recouverte de nacre à l'intérieur. On distingue notamment les coquilles enroulées en spirale ou en hélicoïde (classe des Gastéropodes) et les coquilles doubles (classe des Bivalves).

Certains mollusques ont une respiration branchiale, d'autres une respiration pulmonaire. Leur habitat est soit marin soit dulçaquicole soit encore terrestre.

Expériences

Dessiner, en respectant les proportions, les contours (un seul trait bien net, sans ombrer) divers coquillages choisis.

Déterminer l'espèce à laquelle ils appartiennent, en utilisant la clé dichotomique, en indiquant les caractéristiques principales en légende.

Vérifier la nature calcaire d'une coquille de rebus, en déposant une goutte de chlorure d'hydrogène - HCl -. Comparer éventuellement avec d'autres objets de même nature.

Laboratoire n°13: La morphologie et l'anatomie animales.

Introduction

Etant donné la variabilité des structures animales, il n'est guère possible de présenter une ligne directrice; toutefois l'accent est mis sur la comparaison de certains invertébrés.

Le corps des Arthropodes est fondamentalement articulé et constitué de trois parties, la tête portant les appendices buccaux et sensoriels, le thorax portant les appendices locomoteurs et l'abdomen portant les appendices reproducteurs.

Expériences

Décrire et dessiner la transformation des Insectes du stade larvaire au stade adulte chez Tenebrio molitor.

Dessins annotés et comparatifs de divers types d'Insectes soit vivants (élevage de phasmes et de ténébrions) soit morts, et éventuellement d'autres Arthropodes, notamment en ce qui concerne les appendices.

Dissection suivant disponibilité d'un Mammifère ou d'un Oiseau (voir livres appropriés).

Laboratoire n°14: Les bois et les parfums.

Introduction

Les arbres par leur croissance pluriannuelle dans les régions à climat saisonnier, produisent du bois; il se forme ainsi des cernes annuels de largeur variable en fonction de la température moyenne (dendroclimatologie). Lors d'une coupe de bois, on peut donc déterminer le climat annuel ancien (dendrochronologie).

Toutes les espèces n'ont pas un bois de même dureté et de même densité.

Beaucoup de plantes produisent des substances diverses notamment des parfums provenant d'organes divers (fleurs, feuilles, fruits,…).

Expériences

Peser diverses espèces de bloc de bois et classer-les par ordre de densité; éventuellement déterminer d'autres blocs d'espèces inconnues par comparaison de densité.

Mesurer aux quatre points cardinaux, les cernes annuels d'une coupe d'arbre: établir la moyenne pour chaque cerne et établir un graphique pour déterminer le climat annuel.

D'après le principe du jeu de loto, déterminer les parfums présentés et classer-les en un tableau d'après les origines. Bien refermer les échantillons.

D'après les livrets explicatifs, réaliser une série de compositions de parfums. Ne pas mélanger les compte-gouttes, bien refermer les flacons et utiliser-les avec parcimonie.