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Les plantes peuvent-elles décomposer la cellulose pour produire de l'énergie ?


Je sais que les humains et les autres animaux commencent à utiliser leurs propres protéines comme nourriture lorsqu'ils meurent de faim. Cela m'a amené à me demander si une plante privée de soleil, après avoir épuisé ses réserves de sucre et d'autres glucides, pouvait décomposer des parties de sa propre structure ligneuse afin de se nourrir du reste.

La recherche sur Google n'a donné aucun résultat utile, ce qui m'amène à penser que la réponse est non. Je n'ai jamais entendu parler de plantes possédant elles-mêmes de la cellulase, seulement certains animaux.

De plus, j'imagine que la cellulose n'est pas facile à transporter, elle devrait donc être décomposée par la région de tissu qui l'entoure - ce qui ne pouvait évidemment pas durer longtemps avant que cette région ne meure en raison de sa propre cannibalisation.


Les plantes ne produisent pas de cellulase supplémentaire pour décomposer la cellulose pour un regain d'énergie lorsqu'elles sont cultivées dans des conditions sombres (à ma connaissance). Mais rappelez-vous que les parois cellulaires sont les structures qui maintiennent la pression de turgescence dans les cellules, donc les briser serait très coûteux pour la survie des plantes. Quelques notes : les parois cellulaires végétales ont plus de composants que la cellulose, et elles SONT dynamiques. Dans des conditions de croissance sombre, les plantes s'allongent (étiolement) pendant lequel les enzymes (expansions) brisent les liaisons de la paroi cellulaire pour permettre aux cellules d'allonger les tiges des plantes. L'allongement est un avantage évolutif pour trouver de la lumière lorsque les choses deviennent louches.

Pour en savoir plus sur la composition de la paroi cellulaire et la fonction qu'elle fournit à la cellule, essayez de regarder la vidéo Khan Acadamy sur les parois cellulaires. La signalisation lumineuse est un domaine entier en biologie végétale (exemple). Lisez la suite si vous êtes intéressé par la façon dont les plantes immobiles gèrent l'ombrage des autres plantes ou les périodes d'obscurité. Les plantes décomposent les protéines pour les réutiliser ! En savoir plus sur les vacuoles végétales si vous êtes intéressé par la façon dont elles recyclent et décomposent certaines molécules et protéines en cas de besoin (liée au parallèle de votre question avec les cellules animales ; bien que, pas la décomposition de la cellulose pour remplacer la production de sucre photosynthétique).


Les plantes ne décomposent pas la cellulose pour produire de l'énergie, bien qu'elle stocke de l'énergie. Les plantes stockent leur énergie sous forme d'amidon, qui est décomposé en glucose pour que la plante l'utilise comme énergie. La plupart des plantes ne survivent pas une fois que l'amidon est utilisé (mais elles ne décomposent pas la cellulose).

Parce que les molécules de cellulose se lient fortement les unes aux autres, la décomposition de la cellulose est relativement difficile par rapport à la décomposition de l'amidon. Une température élevée est requise pour la décomposition de la cellulose, que les plantes ne peuvent pas décomposer.


Dégrader la cellulose

Le biocarburant est considéré comme l'une des sources d'énergie alternatives dans un avenir proche lorsque le pétrole et le charbon auront disparu. Actuellement, la principale matière première des biocarburants est le sucre issu de l'amidon, tandis que peu de choses proviennent de la biomasse lignocellulosique en raison du coût. Cependant, la majorité des glucides totaux de la biomasse se présente sous forme de lignocelluloses comme la cellulose, l'hémicellulose ou la lignine. [1] Une grande partie de la biomasse ne peut pas être utilisée s'il n'y a pas de moyen bon marché de décomposer la cellulose. Dans cet article, nous nous concentrerons sur la structure de la cellulose, les techniques d'hydrolyse de la cellulose, les recherches actuelles sur l'hydrolyse enzymatique et le coût de l'hydrolyse enzymatique.


Briser la cellulose tenace en accéléré

La cellulose, un composant végétal, est un polymère extrêmement résistant, insoluble dans l'eau et difficile à décomposer. Cela rend plus difficile l'utilisation efficace et durable de la biomasse végétale dans les bioraffineries. "Ce n'est que lorsqu'il existe des approches durables et rentables pour la dégradation de la cellulose que nous commencerons à produire des carburants, des produits chimiques et des matériaux à grande échelle à partir de la biomasse végétale", explique Bernd Nidetzky, biotechnologue et directeur de l'Institut de biotechnologie et de génie biochimique. à TU Graz.

Dégradation de la cellulose dans la nature

Dans la nature, la dégradation biologique de la cellulose se produit soit par les cellulases, soit par les cellulosomes. Les cellulases sont des enzymes qui diffèrent par leur spécificité et leur mode d'action et sont impliquées de manière synergique dans la dégradation de la cellulose des plantes ligneuses telles que les arbres ou les arbustes. Bien que les cellulases individuelles puissent être situées à proximité les unes des autres, ce sont des unités individuelles, physiquement indépendantes. Un cellulosome, en revanche, est un complexe protéique, une collection ordonnée et physiquement interconnectée d'enzymes nécessaires à la dégradation de la cellulose.

Bernd Nidetzky et son équipe se sont donné pour mission de mieux comprendre et visualiser les cellulosomes comme des nanomachines biologiques essentiellement dégradant la cellulose. Les chercheurs ont maintenant franchi une étape décisive vers cet objectif dans un projet soutenu par le Fonds autrichien pour la science (FWF). Ils ont pu visualiser un cellulosome au niveau d'une molécule unique lors de la dégradation de la cellulose au moyen d'une microscopie à force atomique en accéléré et ainsi mieux comprendre son mode de fonctionnement. Les résultats ont été publiés dans la revue ACS Science centrale.

Les nanomachines au travail

Concrètement, les chercheurs documentent la dégradation de la cellulose à l'aide d'un cellulosome de la bactérie Clostridium thermocellum. Il est montré que le cellulosome s'adapte dynamiquement aux différentes conditions de surface de la cellulose. "En se liant à la cellulose, le cellulosome passe à des formes allongées, voire filiformes et les transforme dynamiquement sur une échelle de temps inférieure à une minute en fonction des exigences de la surface de la cellulose attaquée. Par rapport aux cellulases, qui détachent la matière en glissant le long surfaces de cellulose cristalline, les cellulosomes restent liés localement pendant des minutes et éliminent le matériau sous-jacent. La rugosité conséquente de la surface conduit à une dégradation efficace des nanocristaux de cellulose », explique Bernd Nidetzky.

Perspectives pour les bioraffineries

« Nos analyses prouvent que les cellulosomes sont extrêmement efficaces pour décomposer la cellulose. Ils pourraient donc jouer un rôle central dans le développement de nouvelles approches pour les bioraffineries », a souligné Nidetzky. En exploitant les différents mécanismes d'action des complexes enzymatiques sous forme de cellulosome et d'enzymes libres, la dégradation de la cellulose peut s'effectuer plus rapidement, plus complètement et avec moins d'exigences enzymatiques. Les synergies entre les mécanismes de dégradation de la cellulase et des cellulosomes pourraient ainsi aider à la conception de systèmes de cellulase hybrides et ouvrir de nouvelles perspectives d'applications dans les bioraffineries.


Dans les coulisses : comment les champignons rendent les nutriments disponibles dans le monde

Pour éviter ce sort horrible, ils ont développé des parois cellulaires extrêmement résistantes il y a environ 400 millions d'années. Pendant des millions d'années, rien n'a pu décomposer la lignine, la substance la plus puissante de ces parois cellulaires. Quand un arbre mourait, il s'enfonçait dans le marais où il poussait. Lorsque les archives fossiles ont commencé à montrer des arbres en train de s'effondrer il y a environ 300 millions d'années, la plupart des scientifiques ont supposé que c'était parce que les marécages omniprésents de l'époque s'asséchaient.

Mais le biologiste David Hibbett de l'Université Clark soupçonnait que ce n'était pas toute l'histoire. Une théorie alternative de la chercheuse Jennifer Robinson l'a intrigué. Elle a émis l'hypothèse qu'au lieu du seul changement de l'écosystème, quelque chose d'autre jouait un rôle majeur - quelque chose faisant évoluer la capacité à décomposer la lignine. Grâce à des recherches en biologie évolutive soutenues par le bureau des sciences du ministère de l'Énergie (DOE), Hibbett et son équipe ont confirmé sa théorie. Ils ont découvert que, tout comme elle l'avait prédit, un groupe de champignons connus sous le nom de "champignons de la pourriture blanche" avait développé la capacité de décomposer la lignine à peu près au même moment où la formation de charbon diminuait considérablement. Ses recherches ont illustré à quel point les champignons de la pourriture blanche étaient essentiels à l'évolution de la Terre.

Les champignons sont toujours indispensables. Cuisiniers de courte durée du monde naturel, ils ont un travail méconnu de rendre les nutriments accessibles au reste d'entre nous. Tout comme la cuisson des épinards facilite la digestion, certains champignons peuvent briser les parois cellulaires des plantes, y compris la lignine. Cela permet à d'autres organismes d'utiliser plus facilement le carbone qui se trouve dans ces parois cellulaires.

"Nous vivons tous dans le tube digestif des champignons", a déclaré Scott Baker, biologiste au Pacific Northwest National Laboratory du DOE. Si nous n'étions pas entourés de champignons qui décomposent les matières végétales mortes, il serait beaucoup plus difficile pour les plantes d'obtenir les nutriments dont elles ont besoin.

Pour comprendre le rôle des champignons dans l'écosystème et soutenir la recherche sur les biocarburants, des scientifiques soutenus par le Bureau des sciences du DOE étudient comment les champignons ont évolué pour décomposer le bois et d'autres plantes.

Les compétences spéciales des champignons

Les champignons font face à une tâche difficile. Les parois cellulaires des arbres contiennent de la lignine, qui soutient les arbres et les aide à résister à la pourriture. Sans la lignine, les séquoias de Californie et les kapoks d'Amazonie ne pourraient pas s'élever à des centaines de mètres dans les airs. Les parois cellulaires des arbres contiennent également de la cellulose, un composé similaire qui est plus facilement digéré mais toujours difficile à décomposer en sucres simples.

En coévoluant avec les arbres, les champignons ont réussi à contourner ces défenses. Les champignons sont le seul organisme majeur qui peut décomposer ou modifier de manière significative la lignine. Ils sont également bien meilleurs pour décomposer la cellulose que la plupart des autres organismes.

En fait, les champignons sont encore meilleurs que les humains et les machines que nous avons développées. L'industrie de la bioénergie ne peut pas encore décomposer de manière efficace et abordable la lignine, qui est nécessaire pour transformer les plantes non alimentaires telles que les peupliers en biocarburants. La plupart des procédés industriels actuels brûlent la lignine ou la traitent avec des produits chimiques coûteux et inefficaces. Apprendre comment les champignons décomposent la lignine et la cellulose pourrait rendre ces processus plus abordables et durables.

Tracer l'arbre généalogique des champignons

Alors que les champignons vivent presque partout sur Terre, les progrès de l'analyse génétique et protéique nous permettent désormais de voir comment ces petits cuisiniers travaillent dans leur cuisine. Les scientifiques peuvent échantillonner un champignon dans la nature et analyser sa constitution génétique en laboratoire.

En comparant les gènes de différents types de champignons et la manière dont ces champignons sont liés les uns aux autres sur le plan de l'évolution, les scientifiques peuvent retracer les gènes que les champignons ont gagnés ou perdus au fil du temps. Ils peuvent également examiner quels gènes un champignon individuel a activé ou désactivé à un moment donné.

En identifiant les gènes d'un champignon et les protéines qu'il produit, les scientifiques peuvent identifier quels gènes codent pour quelles protéines. Un certain nombre de projets cherchant à atteindre cet objectif exploitent les ressources du Joint Genome Institute (JGI) et du Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), tous deux des installations utilisatrices de l'Office of Science.

Comprendre la pourriture

Tout comme différents chefs utilisent différentes techniques, les champignons ont diverses façons de décomposer la lignine, la cellulose et d'autres parties des parois cellulaires du bois.

Bien que les champignons soient apparus des millions d'années plus tôt, le groupe de champignons connu sous le nom de pourriture blanche a été le premier type à décomposer la lignine. Ce groupe est toujours un acteur majeur, laissant le bois écaillé et blanchi dans la forêt.

"La pourriture blanche est incroyable", a déclaré Hibbett.

Pour décomposer la lignine, les champignons de la pourriture blanche utilisent des enzymes puissantes, des protéines qui accélèrent les réactions chimiques. Ces enzymes séparent de nombreuses liaisons chimiques de la lignine, la transformant en sucres simples et libérant du dioxyde de carbone dans l'air. La pourriture blanche est toujours meilleure pour déchirer la lignine que tout autre type de champignon.

Comparé aux effets puissants de la pourriture blanche, la communauté scientifique a longtemps pensé que le groupe connu sous le nom de champignons de la pourriture brune était faible. C'est parce que les champignons de la pourriture brune ne peuvent pas complètement décomposer la lignine.

Rappelant ses cours universitaires dans les années 1980, Barry Goodell, professeur à l'Université du Massachusetts à Amherst, a déclaré : « Les enseignants de l'époque les considéraient comme ces pauvres petites choses qui étaient primitives.

Ne sous-estimez jamais un champignon. Même si les champignons de la pourriture brune ne représentent que 6 pour cent des espèces qui dégradent le bois, ils décomposent 80 pour cent des pins et autres conifères du monde. Comme l'ont découvert les scientifiques travaillant avec JGI en 2009, la pourriture brune n'était pas primitive par rapport à la pourriture blanche. En fait, la pourriture brune a évolué à partir des premiers champignons de la pourriture blanche. Au fur et à mesure que les espèces de pourriture brune ont évolué, elles ont en fait perdu des gènes qui codent pour les enzymes destructrices de la lignine.

Comme les bons cuisiniers s'adaptant à une nouvelle cuisine, l'évolution a conduit les champignons de la pourriture brune à trouver un meilleur moyen. Au lieu de libérer la force brute des seules enzymes énergivores, ils ont complété cette action enzymatique par le processus plus efficace de "réaction de Fenton médiée par un chélateur" (CMF). Ce processus décompose les parois cellulaires du bois en produisant du peroxyde d'hydrogène et d'autres produits chimiques. Ces produits chimiques réagissent naturellement avec le fer dans l'environnement pour décomposer le bois. Au lieu de décomposer complètement la lignine, ce processus la modifie juste assez pour que le champignon atteigne les autres produits chimiques de la paroi cellulaire.

Il y avait juste un problème avec cette découverte. En théorie, la réaction chimique du CMF est si forte qu'elle devrait décomposer à la fois le champignon et les enzymes dont il dépend. "Cela finirait par s'effacer", a déclaré Jonathan Schilling, professeur agrégé à l'Université du Minnesota.

La théorie principale des scientifiques était que le champignon créait une barrière physique entre la réaction et les enzymes. Pour tester cette idée, Schilling et son équipe ont fait pousser un champignon de la pourriture brune sur des morceaux de bois très fins. En regardant le champignon se frayer un chemin à travers le bois, ils ont vu que le champignon brisait le processus non pas dans l'espace, mais dans le temps. Premièrement, il a exprimé des gènes pour produire la réaction corrosive. Deux jours plus tard, il a exprimé des gènes pour créer des enzymes. Considérant que les champignons peuvent prendre des années, voire des décennies pour décomposer une bûche, 48 heures est un saut dans le temps.

Les scientifiques tentent toujours de déterminer le rôle joué par le processus CMF. Schilling et des chercheurs partageant les mêmes idées pensent que les enzymes sont toujours une partie importante du processus, tandis que les recherches de Goodell suggèrent que les réactions CMF font la majeure partie du travail. L'équipe de Goodell a rapporté que les réactions CMF pouvaient liquéfier jusqu'à 75 pour cent d'un morceau de bois de pin.

Quoi qu'il en soit, le procédé CMF offre un grand potentiel pour les bioraffineries. L'utilisation du prétraitement des champignons de la pourriture brune pourrait permettre à l'industrie d'utiliser moins d'enzymes coûteuses et énergivores.

Une étroite collaboration

Tous les champignons ne sont pas autonomes. De nombreux types vivent en symbiose avec les animaux, car le champignon et l'animal dépendent les uns des autres pour les services essentiels.

Les vaches et autres animaux qui mangent de l'herbe dépendent des champignons intestinaux et d'autres micro-organismes pour aider à décomposer la lignine, la cellulose et d'autres matériaux dans les parois cellulaires du bois. Alors que les champignons ne représentent que 8 pour cent des microbes intestinaux, ils décomposent 50 pour cent de la biomasse.

Pour déterminer quelles enzymes produisent les champignons intestinaux, Michelle O'Malley et son équipe de l'Université de Californie à Santa Barbara ont cultivé plusieurs espèces de champignons intestinaux sur de la lignocellulose. Ils les ont ensuite nourris de sucres simples. Au fur et à mesure que les champignons "mangaient" les sucres simples, ils ont arrêté le dur travail de briser les parois cellulaires, comme opter pour des plats à emporter plutôt que de cuisiner à la maison.

Selon la source de nourriture, les champignons "désactivaient" certains gènes et changeaient les enzymes qu'ils produisaient. Les scientifiques ont découvert que ces champignons produisaient des centaines d'enzymes de plus que les champignons utilisés dans l'industrie. Ils ont également découvert que les enzymes travaillaient ensemble pour être encore plus efficaces que ne le sont actuellement les processus industriels.

"C'était une énorme diversité d'enzymes que nous n'avions jamais vue", a déclaré O'Malley.

Les recherches récentes d'O'Malley montrent que l'industrie peut être en mesure de produire des biocarburants encore plus efficacement en connectant des groupes d'enzymes comme ceux produits par les champignons intestinaux.

Les termites en tant que producteurs de champignons

Certains champignons agissent en dehors des entrailles des animaux, comme ceux qui s'associent aux termites. Les termites tropicaux sont beaucoup plus efficaces pour décomposer le bois que les animaux qui mangent de l'herbe ou des feuilles, qui sont tous deux beaucoup plus faciles à digérer. Les jeunes termites mélangent d'abord les spores fongiques avec le bois dans leur propre estomac, puis le font caca dans une chambre protégée. Après 45 jours de décomposition fongique, les termites plus âgés mangent ce mélange. À la fin, le bois est presque complètement digéré.

"La culture de champignons pour l'alimentation [par les termites] est l'une des formes de symbiose les plus remarquables sur la planète", a déclaré Cameron Currie, professeur à l'Université du Wisconsin, Madison et chercheur au Centre de recherche sur la bioénergie des Grands Lacs du DOE..

Les scientifiques ont supposé que la majorité de la décomposition s'était produite à l'extérieur de l'intestin, sans tenir compte du travail des termites plus jeunes. Mais Hongjie Li, biologiste à l'Université du Wisconsin, à Madison, s'est demandé si les insectes plus jeunes méritaient plus de crédit. Il a découvert que les entrailles des jeunes travailleurs décomposent une grande partie de la lignine. De plus, les champignons impliqués n'utilisent aucune des enzymes typiques produites par les champignons de la pourriture blanche ou brune. Parce que les champignons et le microbiote intestinal associés aux termites ont évolué plus récemment, cette découverte pourrait ouvrir la porte à de nouvelles innovations.

Du laboratoire à l'atelier de fabrication

Du sol forestier aux termitières, la décomposition fongique pourrait fournir de nouveaux outils pour la production de biocarburants. Une voie consiste pour l'industrie à produire directement les enzymes et autres produits chimiques du microbiote fongique et associé. Lorsqu'ils ont analysé les systèmes termites-champignons, les scientifiques ont découvert des centaines d'enzymes uniques.

"Nous essayons de creuser dans les gènes pour découvrir une super enzyme pour passer au niveau de l'industrie", a déclaré Li.

Une voie plus prometteuse pourrait consister pour les entreprises à transférer les gènes qui codent pour ces enzymes dans des organismes qu'elles peuvent déjà cultiver, comme la levure ou E. coli. Une voie encore plus radicale mais potentiellement fructueuse consiste pour l'industrie à imiter les communautés fongiques naturelles.

Pendant des millions d'années, les champignons ont travaillé dur en tant que cuisiniers à court terme pour décomposer le bois et d'autres plantes. Grâce à une nouvelle compréhension de leurs capacités, les scientifiques nous aident à comprendre à quel point ils sont essentiels au passé et à l'avenir de la Terre.


Évaluations des manuels du projet AAAS 2061

Biologie : Visualiser la vie. Holt, Rinehart et Winston, 1998

Transformations de la matière et de l'énergie : analyse de contenu

Carte : ce que les évaluateurs ont trouvé

Cette carte affiche les résultats de l'analyse de contenu pour ce manuel sous forme graphique, montrant ce que les examinateurs ont trouvé en termes d'alignement et de cohérence du contenu du livre pour l'ensemble des idées clés sur les transformations de la matière et de l'énergie. Vous trouverez peut-être utile d'imprimer cette carte et de vous y référer pendant que vous lisez le reste de l'analyse de contenu :

Les cartes thématiques des transformations de la matière et de l'énergie sont également utiles à titre de référence, qui contrastent l'ensemble cohérent d'idées clés recherchées par les examinateurs avec un composite du traitement réellement trouvé dans les neuf manuels évalués :

Alignement

Le thème des transformations de la matière et de l'énergie rassemble un certain nombre d'idées clés issues des sciences biologiques et physiques.Biologie : Visualiser la vie traite la plupart de ces idées et les répartit sur plusieurs chapitres : Chapitre 2 : Découvrir la vie, Chapitre 5 : Énergie et vie, Chapitre 14 : Écosystèmes, et Chapitre 22 : Les plantes dans nos vies. Les idées apparaissent principalement sous forme d'affirmations dans le texte, bien que parfois des illustrations et des questions de révision de chapitre traitent des idées. La matière et l'énergie sont généralement discutées ensemble. Peu d'attention est accordée au cycle de la matière. Le matériau n'aborde pas l'idée importante de la conservation de la matière et de l'énergie : « Aussi complexe que soit le fonctionnement des organismes vivants, ils partagent avec tous les autres systèmes naturels les mêmes principes physiques de conservation et de transformation de la matière et de l'énergie. ” (Idée e). L'analyse suivante fournit des détails sur la façon dont le manuel traite chacune des idées clés spécifiques.

La matière se transforme en systèmes vivants.

Idée une1: Les plantes fabriquent des molécules de sucre à partir de dioxyde de carbone (dans l'air) et d'eau.

Il y a un contenu correspondant à cette idée, qui n'est traité que dans le texte. Aucune discussion ou enquête ne se concentre sur cette idée. Le matériel énonce cette idée à plusieurs endroits. L'idée est introduite dans le contexte de la description des organites cellulaires :

Les cellules végétales contiennent chloroplastes, des organites qui ont l'étonnante capacité de produire de l'énergie chimique sous forme de sucres, en utilisant l'air, l'eau et l'énergie du soleil. Ce procédé est appelé photosynthèse.

p. 52s

Vers le début du chapitre 5 : Énergie et vie, le texte aborde la première partie de cette idée en déclarant : "Dans les cellules végétales, les réactions chimiques qui absorbent l'énergie produisent du glucose et d'autres molécules organiques que les plantes utilisent pour l'énergie et la croissance" ( p. 77s). Quelques pages plus tard, dans la discussion sur la photosynthèse, le texte indique : « Au cours de la troisième étape, l'ATP et le NADPH sont utilisés pour alimenter la fabrication de glucides riches en énergie à l'aide de CO.2 depuis les airs” (p. 85s). Dans la même section, le texte poursuit en disant : "Au stade final de la photosynthèse, les atomes de carbone sont capturés à partir du dioxyde de carbone dans l'air et utilisés pour fabriquer des molécules organiques, qui stockent de l'énergie" (p. 89s). Sur la même page, la réaction globale pour la photosynthèse est donnée sous forme de symboles et de mots, montrant que le dioxyde de carbone et l'eau sont nécessaires pour ce processus. Les présentations d'Idée a1 dans le chapitre 5 sont définis parmi des détails biochimiques qui vont bien au-delà de l'idée clé. Les questions de révision de chapitre pertinentes (p. 96e, questions 12, 13 et 14) se concentrent également sur les détails biochimiques plutôt que sur l'idée a1.

Idée b1: Les plantes décomposent les molécules de sucre qu'elles ont synthétisées en dioxyde de carbone et en eau, les utilisent comme matériaux de construction ou les stockent pour une utilisation ultérieure.

Il y a une correspondance de contenu avec des parties de cette idée, mais l'idée complète n'est jamais présentée. La représentation suivante de l'idée b1 montre quelles parties de l'idée sont traitées (en gras) dans Biologie : Visualiser la vie : Les plantes décomposer les molécules de sucre qu'ils ont synthétisées en dioxyde de carbone et en eau, les utiliser comme matériaux de construction ou les stocker pour une utilisation ultérieure.

Dans le contexte de la description des molécules organiques, la synthèse et l'utilisation des molécules de cellulose par les plantes à des fins structurelles et de stockage sont notées, mais le texte n'est pas explicite sur les plantes fabriquant de la cellulose à partir de molécules de sucre qu'elles ont synthétisées :

De nombreux organismes utilisent des polysaccharides comme molécules structurelles ainsi que pour le stockage d'énergie. Les plantes fabriquent un polysaccharide appelé cellulose. La cellulose constitue la majeure partie des parois cellulaires des plantes.

p. 30s

Après avoir décrit le cyclage des atomes de carbone dans le cycle de Calvin (p. 89s), le texte donne un bel exemple pour illustrer le devenir du glucose produit lors de la photosynthèse :

Les plantes utilisent les molécules organiques qu'elles produisent lors de la photosynthèse pour leurs processus vitaux. Par exemple, le sucre fabriqué dans les feuilles d'un plant de pomme de terre peut être utilisé pour fabriquer de la cellulose pour la construction de nouvelles parois cellulaires. Une partie du sucre est stockée sous forme d'amidon dans le tubercule de pomme de terre. La plante peut ensuite décomposer l'amidon pour produire l'ATP nécessaire à l'énergie, comme vous le verrez dans la section 5-4.

p. 89s

Cependant, il n'est pas mentionné que les glucides des plantes sont décomposés en dioxyde de carbone et en eau. Alors que le texte mentionne que « Tous les êtres vivants utilisent un processus appelé respiration cellulaire” (p. 84s), donne l'équation de la décomposition du glucose en dioxyde de carbone et en eau (p. 92s) et demande aux enseignants de “Rappeler aux élèves que les mitochondries sont les organites des cellules eucaryotes avec la fonction spéciale de libérer l'énergie stockée dans les aliments (p. 92t), le document ne mentionne pas que les plantes décomposent les molécules de sucre en dioxyde de carbone et en eau.

L'idée que les plantes stockent les sucres est présentée à nouveau, beaucoup plus tard, dans le contexte de la description des fonctions spécialisées des racines : « Les racines stockent souvent des nutriments. Par exemple, les carottes et les patates douces ont des racines qui stockent de grandes quantités de glucides” (p. 391s). Cependant, aucune mention n'est faite du fait que les glucides stockés sont ceux fabriqués à l'origine lors de la photosynthèse.

Idée c1: D'autres organismes décomposent les sucres stockés ou les structures corporelles des plantes qu'ils mangent (ou des animaux qu'ils mangent) en substances plus simples, les réassemblent dans leurs propres structures corporelles, y compris certaines réserves d'énergie.

Il y a un contenu incomplet correspondant à cette idée. Des parties de l'idée sont mentionnées sur des pages largement séparées, mais l'idée complète n'est jamais énoncée. La représentation suivante de l'idée c1 montre quelles parties de l'idée sont traitées (en gras) et quel vocabulaire alternatif est utilisé (entre parenthèses) dans Biologie : Visualiser la vie : Autres organismes décomposer le sucres stockés ou la structures corporelles des plantes [nourriture] ils mangent (ou des animaux qu'ils mangent) en substances plus simples, les réassembler dans leurs propres structures corporelles, y compris un peu d'énergie boutiques [sous forme de glycogène].

Dans l'introduction au système digestif humain, le texte note que « Tout ce que nous mangeons doit être transformé en plus petits morceaux avant de pouvoir être utilisé par le corps. Les aliments subissent cette transformation dans le système digestif. ” (p. 706s). En décrivant le rôle du foie, le texte note son rôle dans le stockage de l'excès de glucose : “. lorsque vous mangez un repas, le foie élimine l'excès de glucose du sang et le stocke sous forme de glycogène. Lorsque le taux de glucose dans le sang diminue, le glucagon incite le foie à libérer une partie de ce glucose dans le sang (p. 709s).

Beaucoup plus tôt dans le texte, dans le contexte de la description des réactions chimiques chez les êtres vivants, le texte mentionne que les atomes sont réarrangés : "Dans vos cellules, les réactions chimiques réarrangent les atomes dans les molécules de glucose, créant de nouveaux produits et libérant de l'énergie" (p. . 77s). Le texte ne mentionne pas les structures corporelles des plantes. Une légende de la figure indique que « lorsque vous mangez une pomme de terre, des réactions chimiques dans votre bouche transforment l'amidon en glucose » et le texte qui l'accompagne indique qu'une pomme de terre « est un excellent aliment car elle est bourrée d'amidon (longues chaînes de molécules de glucose )” (p. 77s).

Dans le contexte de la description du cycle du carbone dans les écosystèmes, le texte mentionne que d'autres organismes décomposent les molécules contenant du carbone en dioxyde de carbone, mais l'accent est mis sur le cycle du carbone plutôt que sur l'utilisation par les consommateurs des molécules végétales :

Les consommateurs obtiennent des molécules riches en énergie qui contiennent du carbone en mangeant des plantes ou d'autres animaux. Au fur et à mesure que ces molécules sont décomposées, du dioxyde de carbone est produit et libéré dans l'atmosphère terrestre.

p. 262s

L'idée que les sucres sont réassemblés dans les structures corporelles n'est pas présentée.

Idée d1: Les éléments chimiques qui composent les molécules des êtres vivants traversent à plusieurs reprises les réseaux trophiques et l'environnement, et se combinent et se recombinent de différentes manières.

Il y a un contenu incomplet correspondant à cette idée. La représentation suivante de l'idée d1 montre quelles parties de l'idée sont traitées (en gras) et quel vocabulaire alternatif est utilisé (entre parenthèses) dans Biologie : Visualiser la vie : Les éléments chimiques [Azote et carbone] qui composent les molécules des êtres vivants passent à plusieurs reprises à travers les réseaux trophiques et l'environnement, et sont combinés et recombinés de différentes manières.

Le texte décrit le cycle de l'azote (p. 260s) et le cycle du carbone (p. 262s) mais ne précise pas la généralisation sur la répété passage à travers les réseaux trophiques de tous éléments qui composent les molécules des êtres vivants ou que dans ce cycle ces éléments se combinent et se recombinent de différentes manières. Parmi les questions de révision de chapitre, une seule se rapporte à cette idée clé, mais elle aussi se concentre sur un exemple plutôt que sur la généralisation et n'aborde pas l'idée d'un passage répété :

Question : Imaginez un atome d'azote qui se trouve dans une protéine dans la feuille d'une plante. Retracez les étapes du cycle de l'azote que cet atome doit traverser pour atteindre l'atmosphère.

Réponse suggérée : La feuille tombe et se décompose par action bactérienne, et l'azote dans la feuille devient de l'ammoniac. L'ammoniac est ensuite décomposé par d'autres bactéries pour produire de l'azote.

p. 270e, question 10

Le diagramme du cycle de l'azote (p. 260s) montre l'azote dans deux combinaisons différentes, alors que le diagramme du cycle du carbone (p. 262s) ne montre le carbone que dans une combinaison. Le texte suppose que les élèves se souviendront du sens de l'expression « molécules organiques », qui a été définie beaucoup plus tôt : « Les molécules avec des liaisons carbone-carbone sont appelées molécules organiques” (p.29s).

L'énergie est transformée dans les systèmes vivants.

Idée une2: Les plantes transfèrent l'énergie de la lumière en molécules de sucre « riches en énergie ».

Il y a un contenu correspondant à cette idée, qui n'est traité que dans le texte. Dans le contexte de la description des parties et fonctions des cellules, le texte énonce l'idée :

Les cellules végétales contiennent chloroplastes, des organites qui ont l'étonnante capacité de produire de l'énergie chimique sous forme de sucres, en utilisant l'air, l'eau et l'énergie du soleil. Ce procédé est appelé photosynthèse.

p. 52s

L'idée est à nouveau présentée dans le contexte de la description des flux d'énergie dans les chaînes alimentaires :

Les plantes, les algues et certaines bactéries captent l'énergie directement de la lumière du soleil et utilisent cette énergie pour produire de l'ATP, des glucides stockant l'énergie et d'autres types de molécules organiques.

p. 84s

En introduisant des détails sur les réactions de la lumière et de l'obscurité, le texte énonce à nouveau l'idée, en notant cette fois quelques intermédiaires chimiques :

Dans la première étape de la photosynthèse, l'énergie est captée par la lumière. Au cours de la deuxième étape, l'énergie est utilisée pour fabriquer de l'ATP et un composé porteur d'énergie appelé NADPH. Au cours de la troisième étape, l'ATP et le NADPH sont utilisés pour alimenter la fabrication de glucides riches en énergie à l'aide de CO2 de l'air.

p. 85s

L'une des questions de révision du chapitre concerne l'idée clé :

Question : Décrivez le rôle de la chlorophylle dans la photosynthèse.

Réponse suggérée : La chlorophylle absorbe l'énergie lumineuse qui sera convertie en énergie chimique.

p. 96e, question 11

L'idée est à nouveau présentée dans le contexte de la description des flux d'énergie dans les écosystèmes : « Presque tous les producteurs sont photosynthétiques, ils captent l'énergie du soleil pour synthétiser des glucides. Les plantes, certaines bactéries et les algues sont des producteurs (p. 256s).

Idée b2: Les plantes obtiennent de l'énergie pour croître et fonctionner en oxydant les molécules de sucre. Une partie de l'énergie est libérée sous forme de chaleur.

Il y a un contenu correspondant à cette idée. Cependant, les deux parties de l'idée sont traitées séparément. Dans le contexte de la description de la manière dont l'énergie est impliquée dans les réactions chimiques, le texte note que les plantes utilisent le glucose qu'elles ont fabriqué pour l'énergie et la croissance : « Dans les cellules végétales, les réactions chimiques qui absorbent l'énergie produisent du glucose et d'autres molécules organiques que les plantes utilisent pour énergie et croissance” (p. 77s). Plus loin dans le même chapitre, le texte indique explicitement que « les plantes et les animaux utilisent le processus de respiration cellulaire pour libérer l'énergie stockée dans les molécules organiques » (p. 90s), puis note que « la glycolyse décompose le glucose en molécules plus petites ». #8221 (p. 91s), mentionnant ainsi explicitement la décomposition (mais pas l'oxydation) des molécules de sucre. Des questions de révision sont fournies pour vérifier les connaissances des élèves sur cette idée (pp. 96s et 95󈟌t, questions 3, 4 et 15).

La deuxième partie de cette idée, qu'une partie de l'énergie est libérée sous forme de chaleur, est présentée neuf chapitres plus tard, lorsque le flux d'énergie dans les écosystèmes est décrit :

Une plante absorbe l'énergie du soleil et l'utilise pour fabriquer des glucides. Cependant, seulement environ la moitié de l'énergie captée par une plante fait partie du corps de la plante. Une partie de l'énergie restante est stockée dans l'ATP fabriqué lors de la respiration cellulaire. La majeure partie de l'énergie restante s'échappe sous forme de chaleur.

p. 258s

Idée c2: D'autres organismes décomposent les structures corporelles consommées en sucres et obtiennent de l'énergie pour se développer et fonctionner en oxydant leur nourriture, libérant une partie de l'énergie sous forme de chaleur.

Il y a un contenu correspondant à cette idée. Dans le contexte de la description du rôle de l'énergie dans les êtres vivants, le texte note que les humains décomposent (plutôt que d'oxyder) le glucose et en libèrent de l'énergie : « Dans vos cellules, les réactions chimiques réorganisent les atomes dans les molécules de glucose, créant de nouveaux produits. et libérer de l'énergie” (p. 77s). Le texte indique ensuite qu'une partie de l'énergie est utilisée pour effectuer un travail (“d'autres réactions décomposent le glucose et libèrent de l'énergie que votre corps utilise pour effectuer son travail” [p. 77s]) mais qu'une partie est libérée sous forme de chaleur (& #8220Lorsque les cellules vivantes décomposent les molécules, une partie de l'énergie libérée par les molécules est sous forme de chaleur (#8221 [p. 83s]).

Deux figures et les légendes qui les accompagnent étendent l'idée à d'autres organismes que les humains :

  • La figure 5-10 montre une série d'organismes dans une chaîne alimentaire. Sur une photo, un cerf mange des plantes. La légende de la figure indique : “Énergie lumineuse. est transformé en glucides par les plantes. Lorsqu'un animal mange des plantes, il tire son énergie des glucides contenus dans les plantes. ” (p. 84s).
  • La figure 5-16 montre une vache mangeant de l'herbe. La légende indique : “. Les plantes et les animaux utilisent le processus de respiration cellulaire pour libérer l'énergie stockée dans les molécules organiques (p. 90).

La réaction par laquelle l'énergie est libérée de l'amidon s'oppose à la combustion mais n'est pas caractérisée comme étant une oxydation :

Lorsque les bûches brûlent, l'énergie stockée dans le bois est libérée en une seule réaction sous forme de chaleur et de lumière. Mais ce n'est pas ce qui se passe dans les cellules. Au lieu de cela, l'énergie stockée dans les molécules alimentaires est libérée à chaque étape d'une série de réactions chimiques catalysées par des enzymes, comme le montre la figure 5-8.

p. 82s

Le texte fait ensuite référence au processus sous le nom de « respiration oxydative » mais n'indique pas que les sucres sont oxydés au cours du processus :

Chez la plupart des êtres vivants, une deuxième étape de la respiration cellulaire, appelée respiration oxydative, suit la glycolyse. La respiration oxydative, qui nécessite de l'oxygène, se produit dans les mitochondries. Elle est bien plus efficace que la glycolyse pour récupérer l'énergie des molécules organiques. La respiration oxydative est la méthode par laquelle la plupart des cellules vivantes obtiennent la majorité de leur énergie.

p. années 90

Les questions de revue de chapitre 1c, 3 et 4 se rapportent à l'idée (p. 96e).

Idée d2: À chaque maillon d'un réseau trophique, une partie de l'énergie est stockée dans des structures nouvellement fabriquées, mais une grande partie est dissipée dans l'environnement sous forme de chaleur. L'apport continu d'énergie de la lumière du soleil maintient le processus en cours.

Il y a un contenu incomplet correspondant à cette idée. La représentation suivante de l'idée d2 montre quelle partie de l'idée est traitée (en gras) dans Biologie : Visualiser la vie : À chaque maillon d'un réseau trophique, une partie de l'énergie est stockée dans des structures nouvellement fabriquées, mais une grande partie est dissipée dans l'environnement sous forme de chaleur. L'apport continu d'énergie de la lumière du soleil maintient le processus en cours.

Dans la section sur le flux d'énergie dans les écosystèmes, le texte énonce la première partie de l'idée que l'énergie est perdue à chaque maillon d'un réseau trophique et décrit les conclusions de l'écologiste Howard Odum selon lesquelles la perte s'élève à environ 90 % :

Une plante absorbe l'énergie du soleil et l'utilise pour fabriquer des glucides. Cependant, seulement environ la moitié de l'énergie captée par une plante fait partie du corps de la plante. Une partie de l'énergie restante est stockée dans l'ATP fabriqué lors de la respiration cellulaire. La majeure partie de l'énergie restante s'échappe sous forme de chaleur. Des pertes d'énergie similaires se produisent à chaque niveau trophique d'un écosystème.

. Odum a découvert que lorsqu'un herbivore mange une plante, seulement environ 10 pour cent de l'énergie présente dans les molécules de la plante se retrouve dans les molécules de l'herbivore. Les 90 % restants de l'énergie sont « perdus », certains sous forme de coût de travail (respiration, déplacement, mastication) et bien plus encore sous forme de chaleur. De même, lorsqu'un carnivore mange l'herbivore, seulement 10 pour cent de l'énergie de l'herbivore sert à fabriquer des molécules carnivores. À chaque niveau trophique, l'énergie stockée dans les organismes est environ un dixième de celle du niveau inférieur.

p. 258s

Cependant, le texte ne présente pas la deuxième partie de l'idée que l'apport continu d'énergie de la lumière du soleil maintient le processus en cours. L'idée que les organismes vivants exiger un apport constant d'énergie est présenté au début du texte, dans le cadre de la description des six thèmes qui unifient la biologie :

Les organismes utilisent de l'énergie pour se développer et mener à bien leurs activités. Sans elle, la vie s'arrête bientôt. Presque toute l'énergie qui anime la vie sur Terre est obtenue du soleil. Les plantes captent l'énergie de la lumière du soleil et l'utilisent pour fabriquer des molécules complexes dans un processus appelé photosynthèse. Ces molécules servent alors de source de carburant aux animaux qui les mangent. Maintenir la complexité des organismes vivants nécessite un apport constant d'énergie. La disponibilité de l'énergie est un facteur majeur de limitation de la taille et de la complexité des communautés biologiques.

p. 18 ans

Et dans le contexte de la description du flux d'énergie dans les chaînes alimentaires vivantes, le texte note que le soleil est la source ultime de la plupart de l'énergie et qu'il brille en permanence : « Presque toute l'énergie nécessaire à la vie vient en fin de compte du soleil, qui brille continuellement sur Terre” (p. 84s). Cependant, aucun de ces deux exemples ne relie la deuxième partie de l'idée clé à la première partie.

La quantité totale de matière et d'énergie reste la même.

Idée e : Quelle que soit la complexité du fonctionnement des organismes vivants, ils partagent avec tous les autres systèmes naturels les mêmes principes physiques de conservation et de transformation de la matière et de l'énergie. Sur de longues périodes de temps, la matière et l'énergie se transforment parmi les êtres vivants, et entre eux et l'environnement physique. Dans ces cycles à grande échelle, la quantité totale de matière et d'énergie reste constante, même si leur forme et leur emplacement subissent des changements continuels.

Il n'y a pas de contenu correspondant à cette idée.

Construire un cas

Le matériel affirme les idées clés, il ne développe pas d'argument fondé sur des preuves pour les soutenir. Le seul phénomène qui pourrait étayer une idée clé (la démonstration que la salive transforme l'amidon d'un cracker en sucre [p. 77t]) n'est pas utilisé pour le faire. Et aucun autre phénomène n'est fourni ou expliqué par les idées clés pour les soutenir.

Connexions

L'ensemble des idées clés sur les transformations de la matière et de l'énergie est très complexe, couvrant quatre niveaux d'organisation biologique (moléculaire, cellulaire, organisme et écosystème) et dépend fortement des connaissances en sciences physiques (par exemple, les formes d'énergie et les transformations entre elles, et la recombinaison des atomes dans les réactions chimiques).

Biologie : Visualiser la vie traite la plupart des idées clés et présente la plupart d'entre elles dans leur intégralité. Cependant, dans certains cas, les idées clés sont présentées en morceaux et les morceaux ne sont pas liés ensemble. Par exemple, les deux parties de l'idée d2« que l'énergie est perdue sous forme de chaleur à chaque niveau trophique et que l'apport continu d'énergie maintient le processus en cours » sont traités à plus de 150 pages d'intervalle et ne sont pas liés les uns aux autres. De même, l'idée clé selon laquelle « les plantes décomposent les molécules de sucre qu'elles ont synthétisées en dioxyde de carbone et en eau, les utilisent comme matériaux de construction ou les stockent pour une utilisation ultérieure » ​​(idée b1) est présenté dans des parties séparées qui ne sont pas liées entre elles : l'utilisation par les plantes de sucres synthétisés comme matériau de construction ou le stockage de ces sucres est présentée dans le contexte de la description du cycle de Calvin (p. 89s) et de la décomposition du sucre en dioxyde de carbone et l'eau est présentée dans le contexte de la description de la respiration oxydative mais n'est pas liée aux plantes (p. 92s). Les idées ne sont pas non plus rassemblées dans le chapitre 21 : Forme et fonction des plantes, qui mentionne le stockage des glucides dans les racines (p. 391s) mais ne le relie pas à la photosynthèse dans les feuilles (p. 393s). Et tandis que le même chapitre décrit la distinction entre monocotylédones et dicotylédones (p. 395s), il ne précise pas que les cotylédons stockent la nourriture produite lors de la photosynthèse dans la plante mère pour sa progéniture.

Biologie : Visualiser la vie se concentre principalement sur le côté énergétique de l'histoire, qui est plus abstrait que le côté matière. Les notions énergétiques sont introduites au niveau cellulaire (p. 52s), puis présentées dans le cadre de la chimie de la photosynthèse (p. 85-82189s) et de la respiration (p. 90-82194s), puis en termes de flux d'énergie et de nutriments cycles dans les écosystèmes (pp. 256�s), et enfin en termes de nutrition et digestion humaines (pp. 700�s). Les enseignants ne sont pas alertés de ces différents lieux où sont traitées les réflexions sur les transformations énergétiques et la logique de cette séquence n'est pas véhiculée. Étant donné que les élèves sont plus susceptibles d'être familiers avec les phénomènes énergétiques au niveau de l'organisme humain, la séquence suivie dans le texte a peu de sens. Si la séquence implicite est suivie, un cours peut se terminer sans jamais traiter les idées énergétiques dans les organismes humains, relier les besoins énergétiques humains aux processus se produisant aux niveaux moléculaire et cellulaire, ou utiliser des processus de transformation de l'énergie dans un organisme individuel pour faire la lumière sur la séquence de de telles transformations dans les écosystèmes.

Énergie. Connexions entre les idées clés. Le texte établit plusieurs liens entre les idées clés sur les transformations énergétiques. Par exemple, le texte relate l'idée que “[Les humains] s'effondrent. sucres [pour] obtenir de l'énergie pour grandir et fonctionner” (partie de l'idée c2) à l'idée que « les plantes obtiennent de l'énergie pour grandir et fonctionner en [brisant] les molécules de sucre” (partie de l'idée b2) et se rapporte à la fois à l'idée que les « plantes transfèrent l'énergie de la lumière en molécules de sucre riches en énergie » (Idée a2) dans le cadre de la description du rôle des organites cellulaires :

L'énergie qui alimente les activités d'une cellule est convertie dans des organites appelés mitochondries (mon euh KAHN dree euh). Ces organites sont spécialisés pour convertir l'énergie stockée dans les aliments. Le nombre de mitochondries dans la plupart des cellules varie. Une cellule musculaire de votre cœur, qui peut pomper plus de 70 fois par minute, peut contenir des milliers de mitochondries. Un globule rouge mature n'en a pas.

Les différences significatives entre vous et les plantes sont la source des aliments transformés par les mitochondries pour votre énergie. Comment les plantes fournissent-elles à leurs mitochondries des molécules alimentaires ? Les cellules végétales contiennent chloroplastes, des organites qui ont l'étonnante capacité de produire de l'énergie chimique sous forme de sucres, en utilisant l'air, l'eau et l'énergie du soleil.

p. 52s

De plus, le texte relate à nouveau l'idée que les « humains] s'effondrent. sucres [pour] obtenir de l'énergie pour grandir et fonctionner” (partie de l'idée c2) à l'idée que “Les plantes transfèrent l'énergie de la lumière en ‘molécules de sucre riches en énergie’” (Idée a2) dans le cadre de l'introduction des transformations énergétiques dans la photosynthèse et la respiration :

Avez-vous déjà mangé des enchiladas au bœuf ? Le bœuf venait d'une vache qui mangeait de l'herbe. D'autres parties des enchiladas provenaient directement des plantes. À quelques exceptions près, vous vous retrouvez avec des plantes (ou un autre organisme photosynthétique) si vous remontez votre nourriture à son origine. De toute évidence, vous dépendez des plantes pour votre nourriture, comme le font tous les mangeurs de plantes et les organismes qui mangent des mangeurs de plantes. L'énergie contenue dans cette nourriture provenait de la lumière du soleil.

p. 85s

Le texte relate également les transformations énergétiques (y compris les pertes de chaleur) dans les organismes individuels (Idées a2, b2, et C2) à la perte d'énergie à chaque niveau trophique dans un écosystème (Idée d2):

Une plante absorbe l'énergie du soleil et l'utilise pour fabriquer des glucides. Cependant, seulement environ la moitié de l'énergie captée par une plante fait partie du corps de la plante. Une partie de l'énergie restante est stockée dans l'ATP fabriqué lors de la respiration cellulaire. La majeure partie de l'énergie restante s'échappe sous forme de chaleur. Des pertes d'énergie similaires se produisent à chaque niveau trophique d'un écosystème.

. Odum a découvert que lorsqu'un herbivore mange une plante, seulement environ 10 pour cent de l'énergie présente dans les molécules de la plante se retrouve dans les molécules de l'herbivore. Les 90 % restants de l'énergie sont « perdus », certains sous forme de coût de travail (respiration, déplacement, mastication) et bien plus encore sous forme de chaleur. De même, lorsqu'un carnivore mange l'herbivore, seulement 10 pour cent de l'énergie de l'herbivore sert à fabriquer des molécules carnivores. À chaque niveau trophique, l'énergie stockée dans les organismes est environ un dixième de celle du niveau inférieur.

p. 258s

Liens entre les idées clés et leurs prérequis. Biologie : Visualiser la Vie n'établit qu'un seul lien entre une idée clé et son prérequis et ce lien est faible. Dans le contexte de la description de la digestion humaine, le texte relie quelque peu l'idée que les humains décomposent la nourriture qu'ils mangent en substances plus simples (partie de l'idée c1) à la condition que la nourriture fournisse les molécules qui servent de matériaux de construction à tous les organismes : « Les sources d'énergie et les matériaux de construction pour le corps n'existent que sous des formes potentielles dans les aliments. Tout ce que nous mangeons doit être transformé en plus petits morceaux avant de pouvoir être utilisé par le corps” (p. 706s). Cependant, le terme « morceaux plus petits » ne signifie pas de manière adéquate que la nourriture fournit moléculaire éléments constitutifs, ce qui est nécessaire pour que les élèves comprennent que ces molécules peuvent être assemblées, restructurées ou décomposées pendant la respiration.

Le matériel ne fait aucun autre lien entre les idées clés et les conditions préalables. Par exemple, le texte ne présente pas l'idée préalable que “. Certaines [réactions] nécessitent un apport d'énergie tandis que d'autres libèrent de l'énergie ou la condition préalable à la conservation de l'énergie. Et il ne les utilise pas pour expliquer que puisque l'énergie est perdue sous forme de chaleur à chaque niveau trophique (première partie de l'idée d2), l'énergie doit provenir d'ailleurs. C'est ainsi qu'il manque l'occasion de relater la première partie de l'Idée d2 à la deuxième partie : « L'apport continu d'énergie provenant de la lumière du soleil maintient le processus en cours ». dans la combustion ou la rouille ou la rattacher à l'oxydation du glucose, même s'il se réfère au processus sous le nom de "respiration oxydative" (p. 92s). De plus, même si le texte donne des détails sur la lumière excit[ant] un électron dans la chlorophylle (pp. 87&821188s) et montre des diagrammes énergétiques des réactions exothermiques et endothermiques (pp. 77&821178s) et du rôle des enzymes dans l'abaissement de l'énergie d'activation (p. 79s), il omet de souligner ou d'utiliser l'idée préalable que « les arrangements d'atomes ont une énergie chimique » ou que « des quantités différentes d'énergie sont associées à différentes configurations d'atomes » #8221 pour donner un sens aux transformations énergétiques de la photosynthèse et de la respiration.

Liens entre les idées clés et les idées connexes. Le texte présente l'idée connexe selon laquelle "les cellules sont des parties spécialisées pour la capture et la libération d'énergie" et établit un lien avec la libération d'énergie dans d'autres organismes (Idée c2) et l'idée que les plantes transfèrent l'énergie de la lumière en molécules de sucre « riches en énergie »2). Tout d'abord, le titre de la section « . ” (p. 52s). Ensuite, un titre de paragraphe attire l'attention sur le travail de capture et de libération d'énergie : « Les cellules fabriquent et libèrent de l'énergie » (p. 52s). Enfin, le texte présente des parties des deux idées clés et les relie à l'idée associée :

Les cellules fabriquent et libèrent de l'énergie
Vous savez maintenant que la vie d'une cellule n'est pas reposante. Vos cellules sont toujours au travail. Où trouvent-ils l'énergie nécessaire pour effectuer toutes les tâches de la vie ? L'énergie qui alimente les activités d'une cellule est convertie dans des organites appelés mitochondries (mon euh KAHN dree euh). Ces organites sont spécialisés pour convertir l'énergie stockée dans les aliments. Le nombre de mitochondries dans la plupart des cellules varie. Une cellule musculaire de votre cœur, qui peut pomper plus de 70 fois par minute, peut contenir des milliers de mitochondries. Un globule rouge mature n'en a pas.

Les différences significatives [sic] entre vous et les plantes est la source des aliments transformés par les mitochondries pour votre énergie. Comment les plantes fournissent-elles à leurs mitochondries des molécules alimentaires ? Les cellules végétales contiennent chloroplastes, des organites qui ont l'étonnante capacité de produire de l'énergie chimique sous forme de sucres, en utilisant l'air, l'eau et l'énergie du soleil.

p. 52s

Question. Biologie : Visualiser la vie fait un travail beaucoup moins complet pour présenter le côté important de l'histoire. Comme indiqué dans la discussion sur l'alignement, les idées clés b1 et C1 sont chacun présentés comme des parties distinctes qui ne sont pas liées entre elles et l'idée clé d1 n'est présenté qu'à travers des exemples qui ne sont pas liés à l'idée générale du cycle répété des éléments par leur combinaison et leur recombinaison en différentes molécules et organismes. L'idée que les atomes qui composent les molécules se combinent et se recombinent est explicite pour l'azote mais pas pour le carbone.

Connexions entre les idées clés. Le texte n'établit qu'un seul lien entre les idées clés sur la transformation de la matière. Le texte relate l'idée que « les plantes fabriquent des molécules de sucre à partir du dioxyde de carbone (dans l'air) et de l'eau » (Idée a1) à l'idée que “Plants. utiliser [des sucres] comme matériaux de construction ou les stocker. ” (partie de l'idée b1) et à l'idée que « les plantes obtiennent de l'énergie pour grandir et fonctionner en [brisant] les molécules de sucre” (partie de l'idée b2) à travers un exemple de plant de pomme de terre. Après avoir décrit comment les plantes fabriquent des molécules organiques à partir de dioxyde de carbone et d'eau, le texte décrit le devenir de ces molécules :

Les plantes utilisent les molécules organiques qu'elles produisent lors de la photosynthèse pour leurs processus vitaux. Par exemple, le sucre fabriqué dans les feuilles d'un plant de pomme de terre peut être utilisé pour fabriquer de la cellulose pour la construction de nouvelles parois cellulaires. Une partie du sucre est stockée sous forme d'amidon dans le tubercule de pomme de terre. La plante peut ensuite décomposer l'amidon pour produire l'ATP nécessaire à l'énergie, comme vous le verrez dans la section 5-4.

p. 89s

Le texte n'établit que de faibles liens entre la combinaison et la recombinaison des atomes dans la photosynthèse (Idée a1) et la respiration (Idées b1 et C1) et la combinaison et la recombinaison répétées des atomes dans les écosystèmes (Idée d1). Par exemple, la description textuelle du cycle du carbone ne véhicule pas l'idée que les atomes de carbone se combinent et se recombinent lorsqu'ils se déplacent dans les organismes des écosystèmes et sont libérés dans l'environnement. Cela n'indique pas non plus que la combinaison et la recombinaison répétées résultent de l'occurrence répétée de la photosynthèse et de la respiration ou de la photosynthèse et de l'utilisation des produits à base de sucre pour construire d'autres molécules :

Comme l'eau, le carbone effectue également des cycles entre l'environnement non vivant et les organismes. L'atmosphère terrestre contient du carbone sous forme de dioxyde de carbone. Les plantes utilisent le dioxyde de carbone pour construire des molécules organiques pendant la photosynthèse. Les consommateurs obtiennent des molécules riches en énergie qui contiennent du carbone en mangeant des plantes ou d'autres animaux. Au fur et à mesure que ces molécules sont décomposées, du dioxyde de carbone est produit et libéré dans l'atmosphère terrestre. La respiration cellulaire par les décomposeurs et les organismes photosynthétiques renvoie également du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. La figure 14-11 montre comment le carbone cycle au sein d'un écosystème.

p. 262s

Liens entre les idées clés et leurs prérequis. Même si le texte présente deux idées préalables, il n'établit qu'un seul lien faible entre elles et les idées clés. Le texte tente de relier l'idée préalable selon laquelle « la nourriture fournit les molécules qui servent de carburant et de matériaux de construction pour [les humains] » (mais pas pour « tous les organismes ») et l'idée que les humains décomposent la nourriture en des éléments plus simples. substances (partie de l'idée c1) dans l'introduction au système digestif humain :

Les apports d'énergie et de matériaux de construction pour le corps n'existent que sous des formes potentielles dans les aliments. Tout ce que nous mangeons doit être transformé en plus petits morceaux avant de pouvoir être utilisé par le corps. Les aliments subissent cette transformation dans le système digestif.

p. 706s

Cependant, le lien ne se fait pas au niveau moléculaire.

Et tandis que le texte présente l'idée préalable selon laquelle « le carbone et l'hydrogène sont des éléments communs de la matière vivante » (pp. 26s et 29 s » et montre des exemples de l'idée connexe que « les atomes de carbone ». se lient à plusieurs autres atomes de carbone dans des chaînes et des anneaux pour former de grandes molécules complexes” (p. 29󈞋s), les connexions ne sont pas faites entre ces idées et l'idée clé que “les plantes fabriquent des molécules de sucre à partir de dioxyde de carbone (dans le air) et eau” (Idée un1).

De plus, l'idée que la matière est conservée n'est ni présentée ni liée aux cycles de la matière entre les écosystèmes et l'environnement physique.

Liens entre les idées clés et les idées connexes. Bien que le texte présente deux idées pertinentes pour les idées clés sur la transformation de la matière, il ne rend pas explicites les liens entre elles. Par exemple, le texte présente l'idée connexe que « les principaux éléments qui composent les molécules des êtres vivants sont le carbone, l'oxygène, l'hydrogène et l'azote. ” (p. 26s) mais ne le relie pas à la combinaison et à la recombinaison de ces éléments dans les écosystèmes. Lorsque le cycle de l'azote est présenté, le texte note seulement que « les organismes doivent avoir de l'azote pour produire des protéines et des acides nucléiques » (p. 260s). Il ne réaffirme pas l'idée que l'azote est l'un des éléments qui composent les molécules des êtres vivants ni n'explicite que l'azote est incorporé dans les molécules des êtres vivants.

Matière et énergie. Le matériau établit un bref lien entre deux idées clés sur la transformation de la matière et de l'énergie. En décrivant la chimie des êtres vivants, le texte fait le lien entre la matière et la transformation de l'énergie chez l'homme (partie d'Idées c1 et C2) en notant que "Dans vos cellules, des réactions chimiques réorganisent les atomes des molécules de glucose, créant de nouveaux produits et libérant de l'énergie" (p. 77s). Le texte tente de relier les idées clés sur la transformation de la matière et de l'énergie dans les écosystèmes, mais la connexion ne relie pas la combinaison et la recombinaison des atomes à la "perte" d'énergie à chaque niveau trophique (et, par conséquent, relie des idées moins sophistiquées sur la matière et l'énergie dans les écosystèmes). Après avoir décrit comment l'énergie est perdue (sous forme de chaleur) à chaque niveau trophique, le texte introduit le sujet du cycle des éléments nutritifs en notant : « Contrairement à l'énergie, qui traverse un écosystème, les éléments nutritifs tels que le calcium et l'azote circulent au sein d'un écosystème » ( p. 259s).

Le matériau ne présente pas l'idée clé que « aussi complexe que soit le fonctionnement des organismes vivants, ils partagent avec tous les autres systèmes naturels les mêmes principes physiques de conservation et de transformation de la matière et de l'énergie. ” (partie de l'idée e). Aucun lien n'est établi entre les idées sur les transformations de la matière et celles sur les transformations énergétiques dans les organismes individuels.

Au-delà de l'alphabétisation

En présentant des idées clés sur la transformation de la matière et de l'énergie, le texte comprend souvent des éléments plus sophistiqués qui interrompent l'histoire centrale. Par exemple, en présentant l'idée que les cellules décomposent les sucres en dioxyde de carbone et en eau, libérant de l'énergie au cours du processus, le texte comprend des détails sur les enzymes, l'énergie d'activation et les sites actifs (p. 78 & 821180), la structure, la synthèse, et la décomposition de l'ATP (p. 83s), les détails de la structure des chloroplastes et les étapes de capture de la lumière et de pompage des protons à travers la membrane thylacoïdienne (p. 87 – 821188) et les détails de la respiration cellulaire (p. 90 – 821193) qui contribuent peu à développer l'idée clé. Ce détail excessif est illustré dans le texte suivant, qui décrit le rôle des molécules d'eau dans la photosynthèse :

Avant que les électrons excités puissent quitter leurs molécules de chlorophylle, les électrons doivent être remplacés par d'autres électrons. L'eau fournit ces électrons. Les plantes obtiennent des électrons de l'eau en divisant les molécules d'eau, H2O. Au fur et à mesure que les molécules d'eau se séparent, la chlorophylle prend les électrons des atomes d'hydrogène, laissant des protons. Les atomes d'oxygène restants se combinent pour former de l'oxygène gazeux.

p. 87s

La sophistication de ces idées est bien au-delà des repères et interrompt l'histoire centrale racontée.

Copyright 2005 par l'Association américaine pour l'avancement des sciences. Tous les droits sont réservés.


Les énergies renouvelables peuvent-elles vraiment remplacer les énergies fossiles ?

Un scientifique de l'Université Purdue étudie le rôle des plantes dans les sources d'énergie renouvelables. Maureen McCann, professeure de sciences biologiques, étudie un large éventail de plantes, des peupliers aux zinnias.Son laboratoire a caractérisé des centaines de gènes végétaux et leurs produits dans le but de comprendre comment ils interagissent tous et comment ils pourraient être manipulés de manière avantageuse. (Photo de l'Université Purdue/Rebecca McElhoe) Télécharger l'image

Un scientifique se tourne vers les zinnias, les mauvaises herbes en bordure de route et d'autres plantes pour créer des biocarburants efficaces

WEST LAFAYETTE, Ind. — Alors que les températures mondiales et la demande énergétique augmentent simultanément, la recherche de sources de combustibles durables est plus urgente que jamais. Mais comment les énergies renouvelables peuvent-elles augmenter pour remplacer les grandes quantités de pétrole et de gaz que nous consommons ?

La puissance des plantes est un élément important de la réponse, explique la scientifique de Purdue, Maureen McCann.

« Les plantes sont la base de la future bioéconomie », dit-elle. « Dans mon esprit, la construction d'une économie durable signifie que nous arrêtons d'extraire le carbone du sol et commençons à utiliser un milliard et demi de tonnes de biomasse disponible aux États-Unis sur une base annuelle. C'est la réserve stratégique de carbone que nous devons exploiter pour déplacer le pétrole.”

McCann est professeur de sciences biologiques, ancien directeur de l'Energy Center du Purdue's Discovery Park et président élu de l'American Society of Plant Biologists. Elle a passé sa carrière universitaire à étudier les parois cellulaires végétales, qui contiennent certaines des molécules les plus complexes de la nature. En étudiant un large éventail de plantes, des peupliers aux zinnias, son laboratoire a caractérisé des centaines de gènes végétaux et leurs produits dans le but de comprendre comment ils interagissent tous et comment ils pourraient être manipulés de manière avantageuse.

L'industrie de l'éthanol utilise des enzymes pour décomposer les grains de maïs amylacés en molécules de glucose, qui, à leur tour, sont fermentées par des micro-organismes pour produire du carburant utilisable. De nombreux chercheurs ont travaillé sur la possibilité d'obtenir plus de glucose en décomposant la cellulose, le principal composant fibreux de toutes les parois cellulaires végétales, qui est beaucoup plus abondante que l'amidon. Cependant, McCann dit que leurs méthodes pourraient ignorer une ressource précieuse.

En plus de la cellulose, les parois cellulaires contiennent de nombreuses molécules polyaromatiques complexes appelées lignines. Ces composés peuvent gêner les enzymes et les catalyseurs qui tentent d'accéder à la cellulose et de la décomposer en glucose utile. En conséquence, de nombreux laboratoires ont déjà tenté de créer des plantes qui contiennent plus de cellulose et moins de lignines dans leurs parois cellulaires.

Mais il s'avère que les lignines sont importantes pour le développement des plantes et peuvent être une source précieuse de produits chimiques. En tant que directeur du Centre Purdue pour la conversion catalytique directe de la biomasse en biocarburants (C3Bio), McCann a collaboré avec des chimistes et des ingénieurs chimistes pour maximiser l'utilisation de la biomasse disponible, y compris les lignines. Une subvention de neuf ans du département de l'Énergie des États-Unis a financé les chercheurs de C3Bio pour utiliser des catalyseurs chimiques pour transformer à la fois la cellulose et les lignines en hydrocarbures liquides, qui sont plus denses en énergie que l'éthanol et entièrement compatibles avec les moteurs et l'infrastructure de carburant existante.

À la lumière de l'utilité des lignines, McCann et ses collègues s'intéressent à des stratégies alternatives d'optimisation des biocarburants qui n'impliquent pas de réduire la teneur en lignine des plantes. Par exemple, si les chercheurs peuvent moduler la force de la "colle" entre les cellules végétales, ils peuvent faciliter l'accès des enzymes à la cellulose et également réduire la quantité d'énergie nécessaire pour broyer la matière végétale. Une autre approche consiste à modifier génétiquement des plantes vivantes et en croissance pour incorporer des catalyseurs chimiques dans leurs propres parois cellulaires, ce qui contribuera à une éventuelle décomposition plus rapide et plus complète.

"Dans les deux cas, ce travail est le reflet de la pensée de la biologie synthétique", déclare McCann. “Nous ne prenons pas simplement ce que la nature nous donne, nous pensons aux moyens d'améliorer les performances de la biomasse en utilisant l'intégralité de la boîte à outils génétique.”

McCann encourage les autres à réfléchir aux « voies du carbone ».

« Si nous pensons à la façon dont les plantes poussent, ce sont de merveilleux chimistes. Ils absorbent le dioxyde de carbone de l'atmosphère et de l'eau par leurs racines et convertissent ces molécules simples en structures de paroi cellulaire très complexes », dit-elle. « Lorsque nous pensons utiliser du matériel végétal dans une bioraffinerie, un objectif clé est de s'assurer que chaque atome de carbone que les plantes ont si soigneusement piégé dans leur corps se retrouve dans une molécule cible utile », que ce soit un hydrocarbure liquide ou un composant d'un matériau aux propriétés avancées.”

En tant que biologistes synthétiques, McCann et les membres de son laboratoire réfléchissent de manière holistique à l'optimisation des cultures pour la production d'aliments, de biocarburants et de matériaux utiles tels que des produits chimiques spécialisés. Indépendamment de l'objectif final, dit-elle, elle garde trois dimensions à l'esprit lorsqu'elle réfléchit à l'optimisation : augmenter le rendement par acre, augmenter la qualité et la valeur de chaque plante et augmenter la superficie des terres sur lesquelles les cultures peuvent être cultivées de manière rentable. L'approche holistique est particulièrement importante pour garantir que les scientifiques et les producteurs agricoles atteignent ces objectifs sans compromettre l'environnement mondial ou les écosystèmes locaux.

« Alors qu'une nouvelle bioéconomie émerge alimentée par les sciences de la vie, les plantes en sont à l'origine à bien des égards, à la fois en termes d'énergie qu'elles peuvent fournir et de types de molécules qu'elles peuvent produire » dit McCann.

Pour l'instant, elle reconnaît que mettre fin à la dépendance économique vis-à-vis des combustibles fossiles est un travail en cours. La transition vers une économie fondée sur les énergies renouvelables nécessitera plusieurs niveaux de changement au fil du temps. Par exemple, même si nous passions entièrement aux voitures électriques, nous aurions probablement encore besoin de carburants à base d'hydrocarbures pour extraire le lithium des batteries et faire fonctionner des machines avec une durée de vie plus longue que les voitures, comme les avions et les navires de haute mer. Pourtant, elle garde une attitude positive.

« Ce qui me donne un grand optimisme, c'est que nous vivons une révolution dans notre capacité à faire de nouvelles découvertes qui mènent à des technologies qui permettent d'accélérer le rythme des découvertes », dit-elle. « Nous allons trouver de nouvelles façons de convertir l'énergie d'une forme à une autre que nous n'avons même pas imaginée. La capacité de faire ce changement substantiel d'une économie basée sur les fossiles à une économie basée sur les énergies renouvelables sera là. Nous avons juste besoin de le faire avancer.”

À propos de l'Université Purdue

L'Université Purdue est une institution de recherche publique de premier plan qui développe des solutions pratiques aux défis les plus difficiles d'aujourd'hui. Classée n ° 6 de l'université la plus innovante des États-Unis par U.S. News & World Report, Purdue propose des recherches qui changent le monde et des découvertes hors du commun. Engagé dans un apprentissage pratique et en ligne dans le monde réel, Purdue offre une éducation transformatrice à tous. Engagé en faveur de l'abordabilité et de l'accessibilité, Purdue a gelé les frais de scolarité et la plupart des frais aux niveaux de 2012-2013, permettant à plus d'étudiants que jamais d'obtenir leur diplôme sans dette. Découvrez comment Purdue ne s'arrête jamais dans la poursuite persistante du prochain pas de géant sur purdue.edu.

Écrivain: Grace Niewijk

Contact média : Amy Patterson Neubert, 765-412-0864, ​​[email protected]

La source: Maureen McCann, [email protected]

Note aux journalistes: Une photographie de Maureen McCann est disponible pour les journalistes via un dossier Google Drive.


Les algues peuvent puiser leur énergie dans d'autres plantes

Les fleurs ont besoin d'eau et de lumière pour pousser. Même les enfants apprennent que les plantes utilisent la lumière du soleil pour recueillir l'énergie de la terre et de l'eau. Les membres de l'équipe de recherche biologique du professeur Dr Olaf Kruse à l'Université de Bielefeld ont fait une découverte révolutionnaire selon laquelle une plante a une autre façon de le faire. Ils ont confirmé pour la première fois qu'une plante, l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii, non seulement s'engage dans la photosynthèse, mais dispose également d'une source alternative d'énergie : elle peut la puiser dans d'autres plantes. Cette découverte pourrait également avoir un impact majeur sur l'avenir de la bioénergie. Les résultats de la recherche ont été publiés mardi 20 novembre dans la revue en ligne Nature Communications publiée par la célèbre revue Nature.

Jusqu'à présent, on croyait que seuls les vers, les bactéries et les champignons pouvaient digérer la cellulose végétale et l'utiliser comme source de carbone pour leur croissance et leur survie. Les plantes, en revanche, participent à la photosynthèse du dioxyde de carbone, de l'eau et de la lumière. Dans une série d'expériences, le professeur Olaf Kruse et son équipe ont cultivé l'espèce d'algue verte microscopiquement petite Chlamydomonas reinhardtii dans un environnement à faible teneur en dioxyde de carbone et ont observé que face à une telle pénurie, ces plantes unicellulaires peuvent tirer de l'énergie des légumes voisins. la cellulose à la place. L'algue sécrète des enzymes (appelées enzymes cellulosiques) qui « digèrent » la cellulose, la décomposant en composants sucrés plus petits. Celles-ci sont ensuite transportées dans les cellules et transformées en source d'énergie : l'algue peut continuer à se développer. « C'est la première fois qu'un tel comportement est confirmé dans un organisme végétal », explique le professeur Kruse. « Que les algues puissent digérer la cellulose contredit tous les manuels précédents. Dans une certaine mesure, ce que nous voyons, ce sont des plantes qui mangent des plantes ». Actuellement, les scientifiques étudient si ce mécanisme peut également être trouvé dans d'autres types d'algues. Les résultats préliminaires indiquent que c'est le cas.

À l'avenir, cette « nouvelle » propriété des algues pourrait également présenter un intérêt pour la production de bioénergie. La décomposition biologique de la cellulose végétale est l'une des tâches les plus importantes dans ce domaine. Bien que de grandes quantités de déchets contenant de la cellulose soient disponibles à partir, par exemple, des grandes cultures, ils ne peuvent pas être transformés en biocarburants sous cette forme. Les enzymes cellulosiques doivent d'abord décomposer le matériau et le traiter. À l'heure actuelle, les enzymes cellulosiques nécessaires sont extraites de champignons qui, à leur tour, ont besoin de matière organique pour se développer. Si, à l'avenir, les enzymes cellulosiques peuvent être obtenues à partir d'algues, il n'y aurait plus besoin de la matière organique pour nourrir les champignons. Ensuite, même lorsqu'il est confirmé que les algues peuvent utiliser des nutriments alternatifs, l'eau et la lumière suffisent à leur croissance dans des conditions normales.


Comment les enzymes fongiques décomposent les parois cellulaires végétales

Image reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement (EMSL).

La science

À l'intérieur des vaches, des chèvres et d'autres ruminants, les enzymes fongiques décomposent la matière végétale et extraient les nutriments. Ces enzymes surmontent essentiellement un goulot d'étranglement majeur dans la production de biocarburants : la décomposition de la lignocellulose, le principal élément constitutif des parois cellulaires végétales. Les parties, l'assemblage et les divers rôles des complexes enzymatiques fongiques, appelés cellulosomes, n'ont pas été clairement définis. Jusqu'à maintenant. Cette étude offre un aperçu de la structure et de la fonction des cellulosomes fongiques. Ce faisant, il montre que les cellulosomes sont des chimères évolutives qui ont coopté des parties d'enzymes de bactéries qui se trouvent également dans l'intestin.

L'impact

Les résultats mettent en évidence le pouvoir des enzymes fongiques dans la dégradation de la lignocellulose. Ces enzymes pourraient être exploitées pour développer de nouvelles stratégies de production efficace de biocarburants.

Sommaire

Les microbes intestinaux jouent un rôle majeur en aidant les ruminants tels que les vaches, les chèvres et les moutons à décomposer les matières végétales riches en lignocellulose dans leur alimentation. Les bactéries et les champignons anaérobies habitant l'intestin des ruminants ont développé une suite d'enzymes dégradant la lignocellulose, dont l'activité soutient le métabolisme microbien tout en fournissant des nutriments aux ruminants. Ces enzymes s'assemblent souvent en grands complexes multiprotéiques appelés cellulosomes, qui améliorent la capacité des microbes intestinaux à dégrader la lignocellulose en confinant toutes les enzymes au même endroit. Bien que les cellulosomes bactériens servent désormais de modèle standard pour la conversion de la biomasse et les applications de biologie synthétique, les cellulosomes fongiques n'ont pas été bien caractérisés en raison du manque de données génomiques et protéomiques, malgré leur valeur potentielle pour la production de biocarburants et de produits chimiques biosourcés. Pour combler cette lacune dans les connaissances, les chercheurs ont combiné le séquençage de nouvelle génération avec la protéomique fonctionnelle pour décrire l'ensemble complet de protéines qui jouent un rôle dans l'assemblage des cellulosomes fongiques. L'équipe collaborative provenait de l'Université de Californie à Santa Barbara, du Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement (EMSL), du Département américain de l'énergie, du Joint Genome Institute (DOE JGI) du Pacific Northwest National Laboratory Center National de la Recherche Scientifique de l'Institut national français de recherche agricole de l'Université Radboud Université King Abdulaziz et Université de Californie, Berkeley. Cette recherche a été réalisée dans le cadre de l'initiative FICUS (Facilities Integrating Collaborations for User Science). L'équipe a utilisé les ressources du JGI et de l'EMSL, qui sont des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science. Cette analyse a révélé une nouvelle famille de gènes qui servent probablement de protéines d'échafaudage essentielles pour les assemblages de cellulosomes chez diverses espèces de champignons intestinaux anaérobies. Contrairement aux cellulosomes bactériens, qui ont une spécificité d'espèce élevée, les cellulosomes fongiques sont probablement un composite d'enzymes de plusieurs espèces de champignons intestinaux. Bien que de nombreuses enzymes dégradant la biomasse végétale bactérienne et fongique aient des similitudes, les cellulosomes fongiques se sont avérés contenir des enzymes dégradant la lignocellulose supplémentaires que l'on ne trouve pas dans les cellulosomes bactériens. Ces enzymes supplémentaires peuvent non seulement conférer un avantage sélectif aux champignons sur les bactéries dans l'intestin des ruminants, mais aussi conférer des cellulosomes fongiques avec un grand potentiel pour la conversion de la biomasse. Pris ensemble, les résultats mettent en évidence les principales différences entre les cellulosomes bactériens et fongiques et suggèrent que les connexions enzymatiques (appelées attaches) jouent un rôle important dans la dégradation de la paroi cellulaire des plantes.

Contact

Responsable du programme BER
Paul Bayer, SC-23.1
Département américain de l'énergie
301-903-5324

Chercheur principal
Michelle A. O'Malley
Université de Californie, Santa Barbara
[email protected]

EMSL
Sam Purvine
Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement
[email protected]

Le financement

Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), le Bureau de la recherche biologique et environnementale, y compris le soutien du Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement (EMSL) et du DOE Joint Genome Institute (JGI), utilisateur du DOE Office of Science installations US Department of Agriculture National Science Foundation US Army University of California, Santa Barbara et Berkeley et California NanoSystems Institute.

Publications

C.H. Haitjema, S.P. Gilmore, J.K. Henske, K.V. Solomon, R. de Groot, A. Kuo, S.J. Mondo, A.A. Salamov, K. LaButti, Z. Zhao, J. Chiniquy, K. Barry, H.M. Brewer, S.O. Purvine, A.T. Wright, M. Hainaut, B. Boxma, T. van Alen, J.H.P. Hackstein, B. Henrissat, S.E. Boulanger, I.V. Grigoriev et M.A. O'Malley, "Une liste de pièces pour les cellulosomes fongiques révélée par la génomique comparative." Microbiologie naturelle 2, 17087 (2017). [DOI : 10.1038/nmicrobiol.2017.87]

Liens connexes

Point culminant de la science du laboratoire de sciences moléculaires de l'environnement : Déverrouiller le potentiel des enzymes fongiques pour briser les parois cellulaires des plantes

Point culminant de la science du laboratoire de sciences moléculaires de l'environnement : la répartition des biocarburants


Les plantes peuvent-elles décomposer la cellulose pour produire de l'énergie ? - La biologie

À PROPOS DE LA LEÇON DE PHOTOSYNTHÈSE

Cette leçon est adaptée aux enfants à partir de 11 ans. Les élèves modélisent la réaction de photosynthèse en construisant les produits (glucose et oxygène) à partir des réactifs (dioxyde de carbone et eau). Les élèves peuvent modéliser la respiration cellulaire et fabriquer de l'amidon et de la cellulose pour montrer comment les plantes utilisent le glucose.

Le sujet de la photosynthèse est un concept fondamental en biologie, chimie et sciences de la terre. Des études pédagogiques ont montré que malgré les présentations en classe, la plupart des étudiants conservent leur idée naïve que la masse d'une plante est principalement dérivée du sol et non de l'air. Pour attirer l'attention des étudiants sur cette idée fausse, au début de cette leçon, nous fournirons un résultat expérimental surprenant afin que les étudiants confrontent leur erreur mentale.

Ensuite, nous aiderons les élèves à mieux visualiser la photosynthèse en modélisant l'origine des atomes dans ce processus important qui produit de la nourriture pour la planète. À l'aide de modèles, les élèves utiliseront les atomes du dioxyde de carbone et de l'eau pour produire du glucose et de l'oxygène.

De plus, les élèves peuvent modéliser la respiration cellulaire et construire à la fois de la cellulose et de l'amidon à partir des mêmes molécules de glucose pour démontrer comment le glucose s'intègre dans les racines, les pousses et le bois, les structures des plantes que nous voyons autour de nous !

ENSEIGNER LA LEÇON DE PHOTOSYNTHÈSE

Cette vidéo interactive peut être utilisée pour co-enseigner la leçon avec le Dr Kathleen Vandiver (inventrice de cette leçon). Alternativement, les enseignants peuvent regarder l'intégralité de la leçon à l'avance. BLOSSOMS (Blended Learning Open Source Science ou Math Studies) est une initiative collaborative visant à commencer à développer un grand référentiel gratuit de modules vidéo pour les cours de mathématiques et de sciences au secondaire dans plusieurs langues.

Guides et ressources originaux de l'enseignant :

Vidéos du MIT Edgerton Center Molecule sur notre chaîne YouTube :

Vous pouvez créer vos propres ensembles de molécules en visitant notre page Web : Informations sur les ensembles de molécules Edgerton Center. Nous ne pouvons malheureusement plus vendre de Molecule Sets.

Les briques LEGO suivantes sont les le minimum requis (par kit/2 élèves) pour la leçon de photosynthèse :

Tapis de cours de photosynthèse (par kit/2 élèves) :

16. Reconnaître que les producteurs (plantes qui contiennent de la chlorophylle) utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour fabriquer des sucres à partir de dioxyde de carbone et d'eau grâce à un processus appelé photosynthèse. Cet aliment peut être utilisé immédiatement, conservé pour une utilisation ultérieure ou utilisé par d'autres organismes.

Références AAAS :

4c, niveaux 9-12, Processus qui façonnent la Terre : Les plantes modifient l'atmosphère terrestre en en éliminant le dioxyde de carbone, en utilisant le carbone pour fabriquer des sucres et en libérant de l'oxygène. Ce processus est responsable de la teneur en oxygène de l'air.

5E, grades 6-8, Flux de matière et d'énergie : La nourriture fournit le carburant et le matériau de construction pour tous les organismes. Les plantes utilisent l'énergie de la lumière pour fabriquer des sucres à partir de dioxyde de carbone et d'eau. Cet aliment peut être utilisé immédiatement ou conservé pour une utilisation ultérieure. Les organismes qui mangent des plantes décomposent les structures végétales pour produire les matériaux et l'énergie dont ils ont besoin pour survivre. L'énergie peut changer d'une forme à une autre chez les êtres vivants. Les animaux tirent leur énergie de l'oxydation de leur nourriture, libérant une partie de son énergie sous forme de chaleur. Presque toute l'énergie alimentaire provient à l'origine de la lumière du soleil.

Norme de contenu de la National Science Foundation :

Contenu Norme C, grades 5-8 : Pour les écosystèmes, la principale source d'énergie est la lumière du soleil. L'énergie entrant dans les écosystèmes sous forme de lumière solaire est transférée par les producteurs en énergie chimique par photosynthèse. Cette énergie passe ensuite d'organisme en organisme dans les réseaux trophiques.

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Décomposition et synthèse du saccharose, de l'amidon et de la cellulose

Le saccharose est décomposé ou hydrolysé pour donner du glucose et du fructose en présence de l'enzyme invertase ou sucrase. La réaction est irréversible.

Synthèse du saccharose:

La synthèse du saccharose dans les plantes peut se faire de 3 manières différentes :

(1) À partir de glucose-1-phosphate et de fructose en présence de l'enzyme saccharose phosphorylase, par exemple dans des bactéries.

(2) À partir de l'UDPG (Uridine Di-Phosphate Glucose) et du Fructose en présence de l'enzyme saccharose synthétase, par exemple dans les plantes supérieures.

(3) A partir de l'UDPG et du Fructose-6-phosphate en présence de l'enzyme saccharose phos­phate synthetase, par exemple dans les plantes supérieures.

Le saccharose-phosphate ainsi produit est hydrolyse en présence de l'enzyme phosphatase pour donner du saccharose.

Répartition de l'amidon:

La décomposition ou l'hydrolyse de l'amidon pour donner ses unités a-D-Glucose constitutives peut avoir lieu de deux manières :

(1) Par l'enzyme diastase :

En fait, la diastase n'est pas une enzyme unique mais un complexe de nombreuses enzymes qui sont les suivantes :

L'α-amylase et l'β-amylase attaquent les liaisons 1 : 4 de l'amylose et de l'amylopectine (qui constituent l'amidon) tandis que l'enzyme R attaque les liaisons 1 : 6 de l'amylopectine, de sorte que l'amidon est hydrolysé pour donner des unités disaccharides, c'est-à-dire le maltose. Enfin, l'enzyme maltase convertit le maltose en molécules de glucose.

(2) Par l'enzyme amidon phosphorylase.

Le glucose-1-phosphate peut être converti en glucose par l'enzyme phosphatase.

Synthèse de l'amidon:

La synthèse de l'amidon implique la synthèse simultanée d'amylose (avec des liaisons glycosidiques -(1 : 4)) et d'amylopectine (avec des liaisons glycosidiques -(1 : 6)), les deux constituants importants de l'amidon.

(A) Synthèse de l'amylose (ou liaisons glycosidiques -(1 : 4)):

La synthèse de l'amylose peut avoir lieu de l'une des manières suivantes : -

(1) Selon Hanes (1940), l'amylose peut être synthétisé en présence de l'enzyme amidon phosphorylase à partir du glucose-1-phosphate et d'une molécule acceptrice constituée d'environ 3 à 20 unités glucose reliées entre elles par des -(1 : 4) glycosidiques. liens.

(2) La formation de liaisons glycosidiques -(1 : 4) peut également avoir lieu en présence de l'enzyme UDPG-transglycosylase (amylose synthétase) par le transfert de glucose de l'UDPG (Uridine Di Phosphate Glucose) à une molécule acceptrice constituée de 2 à 4 unités glucose ou plus reliées entre elles par des liaisons glycosidiques -(1 : 4) ou même une molécule d'amidon.

La structure de l'UDPG est donnée ci-dessous :

UDPG (Uridine Diphosphate Glucose)

(3) Selon Akazawa et al (1964), la molécule de glucose obtenue à la suite de l'hydrolyse du saccharose en présence d'enzyme sucrase est transférée à la molécule d'UDP (Uridine Di Phosphate) pour former l'UDPG. De la forme UDPG, la molécule de glucose est transférée à l'amidon (Fig. 13.2)

(4) Formation de liaisons glycosidiques -(1 : 4) conduisant à la synthèse de l'amylose peut également avoir lieu en présence d'enzyme D par le transfert de deux ou plusieurs unités glucose des maltodextrines (constituées de plus de deux unités glucose) vers une variété d'accepteurs tels que la maltotroise, les molécules de maltotétrose.

(B) Synthèse de l'amylopectine (ou liaisons glycosidiques -(1 : 6)):

Elle a lieu en présence d'enzyme Q par le transfert de petites chaînes d'unités glucose reliées entre elles par des liaisons glycosidiques -(1:4) à une molécule acceptrice constituée d'au moins quatre unités glucose liées (1:4). La liaison glycosidique -(1: 6) est établie entre C-1 de l'unité terminale glucose de la molécule donneuse et C-6 de l'une des unités glucose de la molécule acceptrice (Fig. 13.3).

Décomposition de la cellulose:

La cellulose est une molécule d'hydrate de carbone polymère à chaîne droite (un glucane), composée d'un grand nombre d'unités D-glucopyranose reliées entre elles par des liaisons glycosidiques (1 → 4). Dans la nature, la cellulose est décomposée par hydrolyse enzymatique grâce aux enzymes appelées celluloses. Ces enzymes qui sont souvent regroupées sous le nom générique de cellulase, attaquent aléatoirement les liaisons glycosidiques (1 → 4) de la chaîne cellulosique formant d'abord des cellodextrines puis des disaccharides appelés cellobiose. Le cellobiose est ensuite hydrolysé en glucose par l'enzyme cellobiose.

Les enzymes dégradant la cellulose ne sont pas trouvées dans les plantes ou les humains. Ceux-ci ne se trouvent que chez certains organismes tels que les ruminants, les termites, certaines bactéries et certains protozoaires.

(Division Ruminantia des ongulés à doigts pairs comme un cerf, une antilope, un mouton, une chèvre ou une vache).

Synthèse de la cellulose:

De longues chaînes de cellulose non ramifiées (constituées de résidus de glucose liés en (1→4)) sont synthétisées dans les plantes par les enzymes appelées cellulose synthases. L'enzyme cellulose synthase est un complexe multi-soumis situé sur la membrane plasmique et transfère un résidu glucose d'un donneur de sucre nucléotidique appelé uridine diphosphate glucose (UDPG) à une molécule acceptrice formant (1 → 4) accepteur de glucosyle.

UDPG + Accepteur → UDP + β (1→4) accepteur de glucosyle

On pense que les stérols-glycosides (c. Le processus se poursuit et une fois que la chaîne cellulosique a atteint la longueur souhaitée, le stérol est coupé du glucane (chaîne cellulosique) par l'enzyme endoglucanase présente dans la membrane plasmique. Les chaînes cellulosiques séparées sont ensuite extrudées sur la face externe de la membrane plasmique (Fig. 13.5).

Il existe des preuves suggérant que le glucose dans l'UDPG provient du saccharose, par l'action de l'enzyme réversible saccharose synthétase (Fig. 13.5). En variante, l'UDP-glucose peut être obtenu directement à partir du cytoplasme.