Biologie du lycée · Grades 10–12

1La composition chimique des êtres vivants

Laissez une tranche de pain trop longtemps sur le gril : elle noircit, et ce qui subsiste est presque uniquement du carbone. Pesez une tranche de pomme fraîche, séchez-la une journée dans un four tiède, pesez-la de nouveau : les cinq sixièmes de sa masse sont partis en vapeur d’eau. Le pain, la pomme, le chêne, la méduse, vous — tout être vivant est construit, au fond, à partir de la même courte liste d’ingrédients chimiques, et cette liste n’est pas celle dont les roches sont faites. Ce chapitre démonte la matière vivante, ingrédient par ingrédient, et demande ce qui la rend singulière.

1.1 Les éléments : les mêmes atomes que les roches, en d’autres proportions

Définition 1.1 (Composition chimique de la matière vivante)

La composition chimique d’un échantillon de matière vivante est la liste des éléments chimiques qu’il contient, avec la fraction de la masse de l’échantillon que chacun représente. Elle se mesure en démontant chimiquement l’échantillon — en le brûlant, en pesant ce qui s’évapore et ce qui reste, en analysant les gaz dégagés — et non en le regardant.

Proposition 1.2 (Quatre éléments font 96 % d’un corps vivant)

En masse, la matière vivante est faite presque entièrement de quatre éléments : oxygène (O), carbone (C), hydrogène (H) et azote (N). Dans le corps humain, ils comptent pour environ 65 %, 18.5 %, 9.5 % et 3.2 % de la masse — 96 % ensemble. Le calcium, le phosphore, le potassium, le soufre, le sodium, le chlore et le magnésium se partagent l’essentiel des 4 % restants, et une douzaine d’oligo-éléments (fer, zinc, iode, cuivre…) sont présents très en dessous de 0.1 % tout en étant indispensables. Les mêmes quatre éléments dominent chez une bactérie, un blé ou une baleine, dans des proportions voisines.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Les mêmes éléments, deux recettes très différentes : fractions massiques des principaux éléments dans un corps humain et dans les roches de la croûte terrestre (les barres les plus fines ne portent pas d’étiquette : le calcium fait 1.5 % d’un corps ; le carbone fait 0.02 % de la croûte, l’hydrogène 0.14 %, l’azote 0.002 % ; le silicium, l’aluminium et le fer ne sont que des traces dans un corps). Le carbone, l’hydrogène et l’azote sont abondants dans la matière vivante et rares dans la roche ; le silicium, l’aluminium et le fer font l’inverse.

Exemple 1.3 (Matière vivante et roche)

La croûte terrestre est elle aussi à 46 % d’oxygène, mais ses éléments suivants sont le silicium (28 %), l’aluminium (8 %) et le fer (5.6 %). Le carbone ne fait que 0.02 % de la croûte et l’azote 0.002 %, contre 18.5 % et 3.2 % d’un corps. Un être vivant n’est donc pas un échantillon de son environnement : il concentre quelques éléments d’un facteur mille ou davantage. Cette sélection est la première signature chimique de la vie.

Remarque 1.4 (D’où viennent les atomes)

Chacun de ces atomes est ordinaire : le carbone de vos muscles était du dioxyde de carbone de l’air avant qu’une plante ne le fixe, l’azote de vos protéines était de l’azote de l’air avant que des bactéries du sol ne le captent. Ce qui est propre à la vie, ce ne sont pas les atomes, mais la façon dont ils sont assemblés et les proportions dans lesquelles ils sont rassemblés.

1.2 L’eau et les sels minéraux

Définition 1.5 (Matière minérale et matière organique)

Les molécules d’un être vivant se rangent en deux groupes. La matière minérale est faite de molécules qui existent aussi hors des êtres vivants : l’eau et les sels minéraux dissous (ions tels que $\mathrm{Na^+}$ , $\mathrm{K^+}$ , $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Cl^-}$ , phosphate et bicarbonate). La matière organique est faite de molécules bâties sur un squelette d’atomes de carbone liés à de l’hydrogène, et le plus souvent à de l’oxygène et de l’azote — des molécules que, sur Terre, seuls les êtres vivants ou leurs restes produisent.

Proposition 1.6 (L’eau est le constituant principal)

L’eau est la molécule la plus abondante de tout être vivant : environ 60 à 65 % de la masse d’un adulte, 75 % de celle d’un nouveau-né, 85 % d’une pomme, 95 % d’une méduse, mais seulement 13 % d’un grain de blé dormant. La teneur en eau d’un échantillon se mesure en le pesant, en le séchant vers $105\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ jusqu’à ce que sa masse cesse de diminuer, puis en le pesant de nouveau : la masse perdue est l’eau.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Exemple 1.7 (Sécher une tranche de pomme)

Une tranche de pomme fraîche de masse $24.0\,\mathrm{g}$ est séchée jusqu’à ce que sa masse se stabilise à $3.6\,\mathrm{g}$ . Eau perdue : $24.0 - 3.6 = 20.4\,\mathrm{g}$ , soit $20.4/24.0 = 0.85$ , c’est-à-dire 85 % de la masse fraîche. Les $3.6\,\mathrm{g}$ qui restent sont la matière sèche : molécules organiques et sels minéraux. Brûlez cette matière sèche : environ $0.1\,\mathrm{g}$ de cendre pâle — les sels minéraux — subsiste ; le reste, la part organique, est parti en dioxyde de carbone et en vapeur d’eau.

Une tranche de pomme fraîche et la même tranche après séchage : ce qui reste est la matière sèche, un sixième de la masse initiale. Le reste était de l’eau.

Proposition 1.8 (Ce que fait l’eau)

L’eau est le lieu où se fait la chimie d’une cellule : elle dissout les sels, les sucres et la plupart des petites molécules organiques, de sorte qu’ils peuvent se rencontrer et réagir ; elle les transporte d’un endroit à un autre (le plasma sanguin est à 90 % d’eau, la sève bien davantage) ; et comme il faut beaucoup d’énergie pour la chauffer, elle amortit les changements brusques de température de l’organisme. Une perte de 10 % de l’eau du corps est une urgence médicale ; une graine dormante, à 13 %, a simplement éteint sa chimie jusqu’au retour de l’eau.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Exemple 1.9 (Des sels minéraux que l’on sait nommer)

Le phosphate de calcium rigidifie l’os et la dent (le calcium fait 1.5 % de la masse du corps, presque tout dans le squelette). Les ions sodium et chlorure fixent la salinité du sang, proche de $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ; les ions potassium sont concentrés dans les cellules ; le fer siège au cœur de l’hémoglobine ; l’iode est nécessaire à la fabrication de l’hormone de la thyroïde. Un sel minéral n’est jamais une source d’énergie, mais un corps privé de l’un d’eux échoue à une tâche précise.

1.3 Les molécules organiques : quatre familles

Définition 1.10 (Glucides, lipides, protéines, acides nucléiques)

Les molécules organiques appartiennent à quatre familles.

Les glucides (les sucres) ne contiennent que du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène. Les sucres simples sont des unités isolées, comme le glucose $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ ; les glucides complexes sont des chaînes de centaines ou de milliers d’unités de glucose — amidon et cellulose chez les végétaux, glycogène chez les animaux.
Les lipides (graisses et huiles) ne contiennent eux aussi que C, H et O, mais avec bien moins d’oxygène, et ils ne se dissolvent pas dans l’eau. Les plus répandus sont les triglycérides, faits chacun d’une molécule de glycérol liée à trois longues chaînes d’acides gras.
Les protéines sont des chaînes d’acides aminés : vingt sortes d’acides aminés, tous azotés, liés dans un ordre précis en chaînes de cinquante à plusieurs milliers d’unités qui se replient en une forme définie.
Les acides nucléiques (ADN et ARN) sont des chaînes de nucléotides, contenant du phosphore en plus de C, H, O et N ; ils stockent et transmettent l’information génétique, et font l’objet du Chapitre 3.

Les quatre familles de molécules organiques. Chaque grande molécule est une chaîne de petites briques élémentaires ; l’identité de la brique, et la façon dont la chaîne est agencée, décident de ce que la molécule fait.

Exemple 1.11 (Lire une étiquette alimentaire)

L’étiquette d’un pain complet indique, pour $100\,\mathrm{g}$ : glucides $41\,\mathrm{g}$ (dont sucres $3\,\mathrm{g}$ ), matières grasses $3\,\mathrm{g}$ , protéines $9\,\mathrm{g}$ , fibres $7\,\mathrm{g}$ , sel $1.1\,\mathrm{g}$ . Le reste — environ $39\,\mathrm{g}$ — est de l’eau. Les « glucides » sont ici surtout de l’amidon, les « sucres » les sucres simples, les « fibres » de la cellulose (un glucide que nous ne savons pas digérer), les « matières grasses » les lipides, le « sel » un sel minéral. Une étiquette est une analyse chimique, arrondie.

Proposition 1.12 (À quoi sert chaque famille)

Les familles se partagent le travail de la cellule, avec des recouvrements :

les glucides sont le carburant de tous les jours (le glucose) et sa réserve à court terme (amidon, glycogène), et la cellulose est le matériau de construction des parois végétales ;
les lipides sont la réserve d’énergie compacte à long terme ( $38\,\mathrm{kJ}$ par gramme, contre $17\,\mathrm{kJ}$ par gramme pour les glucides et les protéines), et les lipides membranaires forment l’enveloppe de chaque cellule ;
les protéines sont les machines : les enzymes qui font tourner chaque réaction, les fibres qui contractent le muscle, les transporteurs, les anticorps, les récepteurs ;
les acides nucléiques détiennent les instructions de fabrication des protéines.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Composition d’un corps humain adulte en masse, en pour cent. Les chiffres varient avec l’âge et la corpulence (un athlète sec porte moins de lipides, un nouveau-né plus d’eau), mais l’eau domine toujours et le glucide libre ne dépasse jamais environ 1 %.

Remarque 1.13 (Les grandes molécules et la forme de la vie)

Les molécules de la roche sont petites et répétitives (un cristal de quartz, c’est $\mathrm{SiO_2}$ répété sans fin). Les molécules caractéristiques de la vie sont énormes — une seule protéine peut contenir dix mille atomes, une molécule d’ADN des milliards — et informatives : l’ordre de leurs briques porte un message. Rien dans le monde minéral ne ressemble à une molécule dont la séquence signifie quelque chose.

1.4 Identifier les constituants

Méthode 1.14 (Les tests d’identification des familles)

Chaque famille possède un test simple qui donne un résultat visible.

Eau : une bandelette de papier au chlorure de cobalt bleu vire au rose ; ou bien sécher l’échantillon et mesurer la masse perdue.
Amidon : une goutte d’eau iodée passe du jaune-brun au bleu-noir.
Sucres simples (glucose, fructose…) : chauffer avec la liqueur de Fehling ou le réactif de Benedict ; la solution bleue donne un précipité rouge brique.
Protéines : le test du biuret — quelques gouttes de sulfate de cuivre en milieu alcalin virent au violet.
Lipides : l’échantillon laisse sur le papier une tache translucide qui ne sèche pas ; le colorant rouge Soudan III la teinte.
Sels minéraux : brûler complètement la matière sèche ; la cendre qui subsiste est minérale. Les ions particuliers s’identifient par précipitation (le nitrate d’argent pour le chlorure, par exemple).

Faites toujours un témoin à l’eau pure, et un témoin positif connu, pour être sûr que le réactif fonctionne et qu’un changement de couleur signifie bien ce que vous croyez.

Exemple 1.15 (Analyser une pomme de terre)

Une tranche de pomme de terre crue : le papier au chlorure de cobalt vire au rose (eau) ; l’eau iodée vire au bleu-noir aussitôt (amidon, abondant) ; la liqueur de Fehling ne donne qu’un soupçon d’orangé (peu de sucre libre) ; le biuret donne un violet pâle (un peu de protéines, environ 2 % de la masse fraîche) ; aucune tache translucide (presque pas de lipides). Le séchage laisse 22 % de la masse ; la combustion de ce résidu en laisse 1 % de cendre. La pomme de terre est une réserve d’amidon emballée dans de l’eau — exactement ce qu’il faut à une plante pour passer l’hiver sous terre.

Proposition 1.16 (Unité de composition)

Quel que soit l’organisme — bactérie, champignon, plante, animal — les mêmes tests trouvent les mêmes quatre familles, faites des mêmes briques : les mêmes vingt acides aminés, le même glucose, les mêmes quatre nucléotides. Un être vivant ne se distingue pas en possédant des atomes ou des briques particuliers, mais par les proportions qu’il maintient, les très grandes molécules qu’il assemble et l’information que ces molécules portent. Cette unité chimique est l’un des arguments les plus forts en faveur d’une origine commune à tous les êtres vivants, argument que le Chapitre 6 reprendra.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Du pain oublié trop longtemps sur le gril. Le résidu noir est essentiellement du carbone : les molécules organiques du pain ont perdu leur hydrogène et leur oxygène en vapeur d’eau et en dioxyde de carbone, laissant le squelette carboné derrière elles.

1.5 Exercices

Exercice 1.1 ★

Nommer les quatre éléments qui font 96 % de la masse d’un corps vivant, avec leurs pourcentages approchés chez l’humain.

Solution

Solution de Exercice 1.1.

Oxygène (environ 65 %), carbone (18.5 %), hydrogène (9.5 %) et azote (3.2 %) : 96 % de la masse du corps ensemble.

Exercice 1.2 ★

Classer en matière minérale et matière organique : eau, glucose, chlorure de sodium, un triglycéride, phosphate de calcium, un acide aminé, dioxyde de carbone.

Solution

Solution de Exercice 1.2.

Minéral : eau, chlorure de sodium, phosphate de calcium, dioxyde de carbone (un composé du carbone, mais produit hors du vivant et sans squelette carbone–hydrogène). Organique : glucose, triglycéride, acide aminé.

Exercice 1.3 ★

Une feuille de laitue fraîche de masse $12.0\,\mathrm{g}$ est séchée jusqu’à masse constante : $0.6\,\mathrm{g}$ . Quelle est sa teneur en eau, en pour cent ?

Solution

Solution de Exercice 1.3.

Eau perdue $12.0 - 0.6 = 11.4\,\mathrm{g}$ ; $11.4/12.0 = 0.95$ : la feuille est à 95 % d’eau.

Exercice 1.4 ★

Quel test utiliser pour montrer qu’une graine de haricot contient (a) de l’amidon, (b) des protéines, (c) des lipides ? Donner le résultat attendu dans chaque cas.

Solution

Solution de Exercice 1.4.

(a) Eau iodée sur la graine écrasée : bleu-noir. (b) Réactif du biuret : violet. (c) Écraser la graine sur du papier : une tache translucide qui ne sèche pas ; le Soudan III la teinte en rouge.

Exercice 1.5 ★

Donner la brique élémentaire de chaque famille : glucides, lipides, protéines, acides nucléiques.

Solution

Solution de Exercice 1.5.

Glucides : sucres simples comme le glucose. Lipides : glycérol et acides gras. Protéines : acides aminés (vingt sortes). Acides nucléiques : nucléotides (quatre sortes).

Exercice 1.6 ★★

À l’aide de la première figure du chapitre, de quel facteur le carbone est-il plus concentré dans un corps humain que dans la croûte terrestre ? Et l’azote ? Commenter.

Solution

Solution de Exercice 1.6.

Carbone : $18.5/0.02 \approx 900$ fois plus concentré. Azote : $3.2/0.002 = 1600$ fois. La matière vivante n’est pas un échantillon de son environnement : elle rassemble quelques éléments rares d’un facteur mille, ce qui est une signature chimique de la vie.

Exercice 1.7 ★★

Un adulte de masse $70\,\mathrm{kg}$ est à 62 % d’eau. Calculer la masse d’eau du corps, puis la masse de matière sèche. Si les protéines font 17 % de la masse du corps, quelle est la masse de protéines ?

Solution

Solution de Exercice 1.7.

Eau : $0.62 \times 70 = 43.4\,\mathrm{kg}$ . Matière sèche : $70 - 43.4 = 26.6\,\mathrm{kg}$ . Protéines : $0.17 \times 70 = 11.9\,\mathrm{kg}$ .

Exercice 1.8 ★★

Une barre de céréales contient, pour $100\,\mathrm{g}$ , $60\,\mathrm{g}$ de glucides, $12\,\mathrm{g}$ de lipides et $8\,\mathrm{g}$ de protéines. À l’aide des valeurs énergétiques de la Proposition 1.12, calculer l’énergie fournie par $100\,\mathrm{g}$ de barre, et la fraction qui provient des lipides.

Solution

Solution de Exercice 1.8.

Glucides $60 \times 17 = 1020\,\mathrm{kJ}$ ; lipides $12 \times 38 = 456\,\mathrm{kJ}$ ; protéines $8 \times 17 = 136\,\mathrm{kJ}$ ; total $1612\,\mathrm{kJ}$ , soit environ $1600\,\mathrm{kJ}$ . Les lipides fournissent $456/1612 \approx 28\%$ de l’énergie avec seulement 12 % de la masse.

Exercice 1.9 ★★

De l’eau iodée est ajoutée à une tranche de pain, à une tranche de fromage et à un morceau de sucre. Prévoir le résultat dans chaque cas et expliquer.

Solution

Solution de Exercice 1.9.

Pain : bleu-noir — la farine est surtout de l’amidon. Fromage : pas d’autre changement de couleur que la teinte propre du diiode — protéines et lipides, pas d’amidon. Sucre : aucun changement — le saccharose est un sucre simple, pas de l’amidon ; l’eau iodée ne détecte que la longue chaîne d’amidon.

Exercice 1.10 ★★

Pourquoi la matière sèche d’une plante brûle-t-elle, alors que la cendre qu’elle laisse ne brûle pas ? De quelle matière relève chacune ?

Solution

Solution de Exercice 1.10.

La matière sèche est surtout organique : des molécules carbone–hydrogène qui se combinent à l’oxygène en libérant de l’énergie, du dioxyde de carbone et de l’eau. La cendre, ce sont les sels minéraux, déjà entièrement combinés à l’oxygène ; rien en eux ne peut brûler.

Exercice 1.11 ★★

On dispose de deux solutions : l’une de glucose, l’autre d’amidon. Le test de Fehling n’est positif que pour la première, l’eau iodée que pour la seconde. Or l’amidon est fait de glucose. Proposer une explication.

Solution

Solution de Exercice 1.11.

La liqueur de Fehling réagit avec un groupement chimique libre porté par les molécules de glucose isolées ; dans l’amidon, les unités de glucose sont liées les unes aux autres et ces groupements sont enfermés dans la chaîne, si bien que le réactif ne trouve rien. Le diiode, à l’inverse, se loge dans la longue chaîne enroulée de l’amidon, que des molécules de glucose isolées ne forment pas. Chaque test détecte une structure, non un élément.

Exercice 1.12 ★★★

Un grain de blé contient 13 % d’eau ; trois jours après la germination, la plantule en contient 88 %. Expliquer ce changement, et ce qu’il apprend sur le rôle de l’eau dans la chimie du grain.

Solution

Solution de Exercice 1.12.

Le grain a absorbé massivement de l’eau. À 13 %, les réserves sont solides et les enzymes ne peuvent pas travailler : la chimie du grain est éteinte et il survit en dormance. L’eau dissout les réserves, laisse agir les enzymes et porte les produits vers l’embryon en croissance : la chimie ne redémarre qu’une fois l’eau abondante.

Exercice 1.13 ★★★

Le plasma sanguin contient environ $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ de chlorure de sodium et environ $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ de glucose. Un patient reçoit $500\,\mathrm{mL}$ d’une solution intraveineuse. Quelles masses de sel et de glucose doit-elle contenir pour égaler le plasma ? Pourquoi de l’eau pure serait-elle dangereuse ?

Solution

Solution de Exercice 1.13.

Sel : $9 \times 0.5 = 4.5\,\mathrm{g}$ ; glucose : $1 \times 0.5 = 0.5\,\mathrm{g}$ . De l’eau pure diluerait le plasma ; l’eau entrerait alors dans les globules rouges, qui gonfleraient et éclateraient.

Exercice 1.14 ★★★

Les lipides stockent $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , le glycogène $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; de plus, chaque gramme de glycogène est stocké dans le corps avec environ $3\,\mathrm{g}$ d’eau. Une personne porte $0.5\,\mathrm{kg}$ de glycogène et $10\,\mathrm{kg}$ de lipides. Calculer l’énergie de chaque réserve, puis la masse qu’un corps devrait porter pour détenir l’énergie de la réserve lipidique sous forme de glycogène hydraté. Conclure sur les raisons pour lesquelles les animaux stockent de la graisse.

Solution

Solution de Exercice 1.14.

Glycogène : $500 \times 17 = 8500\,\mathrm{kJ}$ . Lipides : $10000 \times 38 = 3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ . Pour détenir $3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ sous forme de glycogène : $380000/17 \approx 22.4\,\mathrm{kg}$ de glycogène, plus trois fois cette masse d’eau, environ $90\,\mathrm{kg}$ en tout — plus que la personne. La graisse stocke à peu près neuf fois plus d’énergie par kilogramme porté, et c’est pourquoi les animaux qui doivent se déplacer stockent leurs réserves sous forme de lipides.

Exercice 1.15 ★★★

« Les êtres vivants sont faits des mêmes atomes que les roches, donc il n’y a rien de chimiquement particulier dans la vie. » Discuter cette affirmation en un court paragraphe, en s’appuyant sur trois arguments précis du chapitre.

Solution

Solution de Exercice 1.15.

Les atomes sont bien ordinaires, mais (1) les proportions ne le sont pas : la matière vivante concentre le carbone d’un facteur mille et l’azote bien davantage, face à une croûte d’oxygène et de silicium ; (2) les molécules non plus : seuls les êtres vivants assemblent le carbone en chaînes géantes — protéines, amidon, ADN — dont la taille n’a pas d’équivalent minéral ; (3) ces molécules portent une information dans l’ordre de leurs unités, ce qu’aucun cristal ne fait. La vie est chimiquement particulière par son organisation, non par ses atomes.

1.6 Problème : le carbone d’un être humain

Problème 1.1

Problème du week-end — d’un champ de blé à un corps : un bilan de matière, de l’eau d’un grain au nombre de kilogrammes de carbone qu’une personne porte

Une classe suit la matière d’un champ de blé jusqu’au corps de l’un de ses élèves. Données : un grain de blé est à 13 % d’eau, et sa matière sèche est faite d’environ 70 % d’amidon, 12 % de protéines, 2 % de lipides, 2 % de minéraux, le reste étant de la cellulose. La farine à pain garde en gros la composition de la partie interne du grain. L’élève, Léa, a une masse de $60\,\mathrm{kg}$ ; on prendra la composition adulte de la deuxième figure (eau 60 %, protéines 17 %, lipides 16 %, minéraux 6 %, glucides 1 %). Fractions massiques en éléments dans chaque famille : prendre les glucides à 40 % de carbone, les lipides à 77 % de carbone, les protéines à 53 % de carbone et 16 % d’azote.

Partie I — Le grain.

Un grain de masse $45\,\mathrm{mg}$ est séché. Quelle masse d’eau perd-il, et quelle est sa masse sèche ?
Calculer les masses d’amidon, de protéines et de lipides de la matière sèche d’un grain.
Quels tests de la Méthode 1.14 confirmeraient chacun de ces trois constituants sur un grain écrasé ?
Le grain est semé et arrosé ; trois jours plus tard, la plantule est à 88 % d’eau. Expliquer pourquoi la germination ne peut pas démarrer à 13 %.
Un hectare produit $8\,\mathrm{t}$ de grain. Quelle masse d’eau est récoltée avec lui, et quelle masse de matière sèche ?

Partie II — Le pain.

Un pain est cuit à partir de $500\,\mathrm{g}$ de farine, $320\,\mathrm{g}$ d’eau et $10\,\mathrm{g}$ de sel ; il perd $130\,\mathrm{g}$ d’eau au four. Quelle est la masse du pain cuit, et sa teneur en eau en pour cent ?
En prenant pour la farine la composition sèche du grain, estimer les masses d’amidon et de protéines du pain.
En prenant $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ pour les glucides et les protéines et $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ pour les lipides, estimer le contenu énergétique du pain.
Léa mange $120\,\mathrm{g}$ de ce pain. Quelle fraction d’un besoin quotidien d’environ $10\,000\,\mathrm{kJ}$ cela couvre-t-il ?
Pourquoi le sel du pain n’est-il pas une source d’énergie, et à quoi sert-il dans le corps ?

Partie III — Le corps : l’eau et les familles.

Calculer la masse d’eau du corps de Léa.
Calculer les masses de protéines, de lipides, de minéraux et de glucides.
Léa perd $1.2\,\mathrm{kg}$ par sudation au cours d’une longue course. Quelle fraction de l’eau de son corps cela représente-t-il ? Pourquoi faut-il la remplacer vite ?
Son sang, environ $4.5\,\mathrm{L}$ , est à 55 % de plasma, et le plasma est à 90 % d’eau. Estimer la masse d’eau de son sang (on prendra $1\,\mathrm{kg}$ par litre). Quelle fraction de l’eau de son corps cela fait-il ? Où est le reste ?
Un nouveau-né est à 75 % d’eau. Expliquer en une phrase pourquoi un nourrisson est plus vulnérable à la déshydratation qu’un adulte.

Partie IV — Le corps : les éléments.

À l’aide des fractions de carbone de chaque famille, calculer la masse de carbone des glucides, des lipides et des protéines de Léa, puis la masse totale de carbone.
Quelle fraction de sa masse corporelle est du carbone ? Comparer aux 18.5 % de la Proposition 1.2 et commenter l’accord.
Calculer la masse d’azote de ses protéines. D’où venait finalement cet azote ?
L’eau est à 89 % d’oxygène en masse. Calculer la masse d’oxygène portée par la seule eau de son corps, et comparer aux 65 % de la Proposition 1.2. Quelle molécule explique l’essentiel de l’oxygène du corps ?
Énoncer le résultat en une phrase : combien de kilogrammes de carbone une personne de $60\,\mathrm{kg}$ porte-t-elle, et par quels deux processus biologiques ce carbone a-t-il quitté l’air pour entrer dans le corps ?

Solution

Solution de Problème 1.1.

1. Eau $0.13 \times 45 = 5.9\,\mathrm{mg}$ ; masse sèche $39.2\,\mathrm{mg}$ .

2. Amidon $0.70 \times 39.2 \approx 27.4\,\mathrm{mg}$ ; protéines $0.12 \times 39.2 \approx 4.7\,\mathrm{mg}$ ; lipides $0.02 \times 39.2 \approx 0.8\,\mathrm{mg}$ .

3. Eau iodée (bleu-noir) pour l’amidon ; biuret (violet) pour les protéines ; une tache translucide sur papier ou le Soudan III pour les lipides.

4. À 13 %, les réserves sont solides et les enzymes inactives ; l’eau doit dissoudre les réserves et laisser les réactions se faire avant que l’embryon puisse croître. La germination commence par l’absorption d’eau, et les 88 % de la plantule sont le signe que sa chimie est allumée.

5. Eau $0.13 \times 8 = 1.04\,\mathrm{t}$ ; matière sèche $6.96\,\mathrm{t}$ , soit environ $7\,\mathrm{t}$ .

6. Masse $500 + 320 + 10 - 130 = 700\,\mathrm{g}$ . Eau du pain : venant de la farine $0.13 \times 500 = 65\,\mathrm{g}$ , plus $320\,\mathrm{g}$ , moins $130\,\mathrm{g}$ : $255\,\mathrm{g}$ , soit $255/700 \approx 36\%$ .

7. Matière sèche de la farine $0.87 \times 500 = 435\,\mathrm{g}$ ; amidon $0.70 \times 435 \approx 305\,\mathrm{g}$ ; protéines $0.12 \times 435 \approx 52\,\mathrm{g}$ (lipides environ $9\,\mathrm{g}$ ).

8. $305 \times 17 + 52 \times 17 + 9 \times 38 \approx 5185 + 884 + 342 \approx 6400\,\mathrm{kJ}$ .

9. $120/700 \approx 0.17$ du pain : environ $1100\,\mathrm{kJ}$ , soit 11 % de $10\,000\,\mathrm{kJ}$ .

10. Le sel est minéral : il est déjà entièrement oxydé et n’a pas de liaison carbone–hydrogène à brûler. Dans le corps, ses ions fixent la salinité du sang et sont nécessaires aux signaux nerveux et musculaires.

11. $0.60 \times 60 = 36\,\mathrm{kg}$ d’eau.

12. Protéines $0.17 \times 60 = 10.2\,\mathrm{kg}$ ; lipides $0.16 \times 60 = 9.6\,\mathrm{kg}$ ; minéraux $3.6\,\mathrm{kg}$ ; glucides $0.6\,\mathrm{kg}$ .

13. $1.2/36 \approx 3.3\%$ de son eau. Le volume sanguin et le contrôle de la température en dépendent tous deux ; une perte de 10 % est dangereuse, et la boisson doit donc la rétablir en quelques heures.

14. Plasma $0.55 \times 4.5 \approx 2.5\,\mathrm{L}$ ; eau $0.9 \times 2.5 \approx 2.2\,\mathrm{kg}$ , soit environ 6 % de l’eau du corps. Le reste est dans les cellules (environ les deux tiers de toute l’eau du corps) et dans le liquide entre les cellules.

15. Un nourrisson échange chaque jour une fraction bien plus grande de son eau (boisson, urine, peau) qu’un adulte ; quelques heures de pertes sans apport lui retirent donc une fraction dangereuse de son total.

16. Glucides $0.40 \times 0.6 = 0.24\,\mathrm{kg}$ ; lipides $0.77 \times 9.6 \approx 7.4\,\mathrm{kg}$ ; protéines $0.53 \times 10.2 \approx 5.4\,\mathrm{kg}$ . Total environ $13\,\mathrm{kg}$ de carbone.

17. $13/60 \approx 22\%$ , contre 18.5 %. L’accord est bon compte tenu des fractions arrondies par famille et de la variation de la teneur en lipides d’un individu à l’autre ; un corps plus sec donne un chiffre plus bas.

18. $0.16 \times 10.2 \approx 1.6\,\mathrm{kg}$ d’azote. Il venait de l’azote de l’air, capté par les bactéries du sol, prélevé par les plantes et mangé le long de la chaîne alimentaire.

19. $0.89 \times 36 \approx 32\,\mathrm{kg}$ d’oxygène, soit $32/60 \approx 53\%$ de la masse du corps. L’eau à elle seule rend compte de l’essentiel des 65 % ; le reste est l’oxygène contenu dans les molécules organiques.

20. Une personne de $60\,\mathrm{kg}$ porte environ $13\,\mathrm{kg}$ de carbone. Il a quitté l’air sous forme de dioxyde de carbone par la photosynthèse des plantes, et il est entré dans le corps par l’alimentation et la digestion le long de la chaîne alimentaire.

Termes définis dans ce chapitre

Voir les 479 termes du glossaire