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teach with space CatalISS Études des enzymes dans l’espace
Activités des élèves
Connaissances de base
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Connaissances de base : Décomposition des aliments pour les transformer en énergie
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Activité 1 : Aliments dans la bouche
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Connaissances de base: Enzymes
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Activité 2 : Trouver la bonne enzyme
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Activité 3 : Un modèle de l’appareil digestif
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Activité 4 : Dans l’estomac
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Activité 5 : CatalISS – études des enzymes dans l’espace
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Voici Thomas Pesquet, l’astronaute de l’Agence Spatiale Européenne. Il a rejoint la Station spatiale internationale en novembre 2016 pour une durée de six mois. Au cours de sa mission, il a réalisé de nombreuses expériences. L’une de ces expériences était CatalISS qui a été élaborée pour étudier comme fonctionne la digestion dans l’espace par rapport à son fonctionnement ici sur terre. Vous allez participer à cette expérience en apprenant comment fonctionnent la digestion et les enzymes, en répétant son expérience dans votre classe et en comparant vos résultats. Pensez-vous qu’il y aura des différences ?
La micropesanteur Sur l’ISS, tout flotte. Cela se produit car tout est en état d’apesanteur. C’est probablement la plus grande différence par rapport à la terre, où tout est attiré vers le bas en direction du sol. Sur terre, nous pouvons tous ressentir cette traction vers le bas mais nous y sommes si habitués que nous n’y faisons parfois même plus attention. Cette traction ou attraction que nous ressentons est nommée pesanteur. Sur l’ISS, les astronautes ne ressentent pas la pesanteur qui les tirent vers le bas. Cela se produit parce que la station spatiale se déplace très rapidement, dans une orbite autour de la terre, à 400 kilomètres au-dessus de nos têtes. Comme l’ISS se déplace à la vitesse et dans la direction appropriée, elle ne retombe pas sur terre mais est toujours en chute libre autour de la terre. Comme elle chute, tout ce qui se trouve à l’intérieur n’a plus de poids. Les astronautes flottent dans la station et souvent, se déplacent en « volant » dans les corridors. Nous disons que les astronautes sont en état de micropesanteur. L’apesanteur entraîne de nombreuses différences dans la manière dont se déroulent les choses sur terre et dans l’espace. Vous observerez ces différences dans votre salle de classe sur terre en réalisant les mêmes expériences que celles que Thomas Pesquet a réalisé sur l’ISS et vous comparerez les résultats.
Votre mission : • • •
Apprendre comment fonctionne la digestion Rechercher ce qui perturbe la digestion Examiner si la digestion se passe différemment dans l’espace et sur terre
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Connaissances de base : décomposition des aliments pour les convertir en énergie Tout comme vous, les astronautes doivent manger et digérer les aliments pour en tirer de l’énergie, des vitamines et des sels minéraux dont ils ont besoin pour rester en bonne santé et bien travailler. Mais qu’est-ce que la digestion ? En quoi est-elle différente dans l’espace ? Nous tirons tous notre énergie de la nourriture que nous mangeons et des liquides que nous buvons. Le corps accomplit un dur travail pour absorber cette nourriture solide et la décomposer en éléments beaucoup plus petits. Ces éléments sont appelées des nutriments. Les nutriments peuvent être utilisés par le corps pour produire de l’énergie. Dans notre nourriture, on trouve trois catégories d'aliments qui peuvent être utilisés pour produire de l’énergie dans le corps. Pour rester en bonne santé, il est important de s’assurer que l’on dispose de ces différents types d’aliments de façon équilibrée. Le repas des astronautes est planifié avec soin pour que l’on soit sûr qu’ils reçoivent toute l’énergie, les vitamines et les sels minéraux dont ils ont besoin pour vivre et travailler dans l’espace. L’image ci-dessous montre Samantha Cristoforetti, astronaute de l’ESA qui prépare son repas dans l’ISS – une salade de quinoa avec des tomates séchées, des maquereaux et de la crème de poireau, le tout enveloppé dans une tortilla chaude. Ce repas est bien équilibré et comporte les principaux aliments nécessaires pour lui apporter de l’énergie et la garder en bonne santé. Graisses Elles sont utilisées pour absorber les vitamines et sont une source d’énergie
Fibres Amidon Sugars
Protéines Sucres lents (par ex. pain noir, riz)
Elles sont utilisées pour construire et réparer les tissus musculaires
Constituent une réserve d’énergie
Sucres rapides (par ex. bonbons, pain blanc)
Glucides
energie SUCRES
Fournissent une énergie de courte durée
La principale source d’énergie du corps
Les graisses, les protéines et les glucides peuvent tous être utilisés pour produire de l’énergie. Si l’on ne mange pas pendant plusieurs jours, on n’absorbe pas de glucides. A leur place, les graisses stockées dans l’organisme peuvent être décomposées pour produire de l’énergie. Une fois que le corps toutes les réserves de graisses transformées en énergie, il va commencer à décomposer les protéines présentes en grande quantité dans les muscles pour fournir l’énergie dont on a besoin pour survivre. Ceci est potentiellement dangereux et entraîne des pertes musculaires ! Il est préférable que l’organisme décompose les glucides complexes en glucides simples pour produire l’énergie nécessaire tout en restant en bonne santé. Mais comment le corps s’y prend-il ? Et ce processus est-il différent dans l’espace ? teach with space - CatalISS | PR25b
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Le processus de digestion commence dans la bouche. Expliquer le rôle des dents :
Lorsque l’on mâche, on produit un liquide nommé salive. La salive contient des substances particulières nommées enzymes qui ont un rôle très important.
Expérience : quelle est l’action de la salive sur les aliments ? Travaillez à deux pour cette expérience. L’un sera le goûteur et l’autre s’occupera du chronomètre. Après avoir réalisé l’expérience une fois, inversez les rôles et comparez vos résultats.
Méthode : 1. Mange un morceau de biscuit. Mâche-le et avale-le immédiatement. 2. Décris son goût. Inscris ta réponse dans le cadre ci-dessous. 3. Prend un autre morceau de biscuit, mais cette fois, dès que tu commences, ton partenaire doit commencer à chronométrer. Mâche le biscuit pendant quelques secondes puis laisse-le dans la bouche pendant une minute entière. Après une minute, tu peux avaler le biscuit 4. Décrit son goût dans le cadre ci-dessous. Idem 5. Répète l’expérience avec ton partenaire qui mangera le biscuit. Puis comparez vos résultats.
Résultats : Mes résultats Goût après quelques secondes :
Résultats de mon partenaire
Goût après une minute :
Goût après quelques secondes :
Goût après une minute :
As-tu le même résultat que ton partenaire ? Décrivez vos observations.
La salive et les enzymes qu’elle contient ont clairement changé l’aliment d’une certaine manière. En quoi pensez-vous que le cracker a été décomposé lorsqu’il était dans votre salive ?
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ACTIVITÉ 1
Activité 1 : Aliments dans la bouche
Connaissances de base : l e s enzymes découpent les aliments pour donner de l’énergie utile Même après la mastication, l’organisme ne peut pas transformer immédiatement la nourriture en énergie. Tout d’abord les glucides complexes doivent être décomposés en glucides simples. Le corps produit des substances spéciales nommées enzymes. 1: L’enzyme a une forme particulière pour correspondre à un glucide particulier
2: Elle se fixe sur le glucide complexe
Enzyme 3: Elle coupe le glucide complexe
4: Un glucide simple est libéré, l’enzyme se détache et peut recommencer
Glucide simple, utile pour obtenir de l’énergie
Les enzymes sont spécifiques, c’est-à-dire que chaque type d’enzyme ne peut décomposer qu’un seul type d’aliment. Pour cela, elles ont une forme spéciale qui leur permet de s’accrocher sur l’aliment qu’elles doivent décomposer. Une fois qu’elles y sont parvenues, elles peuvent répéter ce processus avec un autre aliment du même type.
Le saviez-vous ? L’ISS est un laboratoire spécial ! L’ISS est un laboratoire de science unique et les astronautes consacrent une grande partie de leur temps à bord à réaliser des expériences scientifiques. Cette image montre l’astronaute de l’ESA, Samantha Cristoforetti, qui prépare la plateforme Biolab pour effectuer des tests. Sur terre, il n’est pas possible de faire des expériences sur la micropesanteur pendant une durée très prolongée. Si une expérience doit être faite en apesanteur, elle doit être réalisée dans l’espace. Des expériences sur les enzymes dans des conditions de micropesanteur ont été réalisées sur l’ISS pour ces raisons. Ces expériences peuvent nous permettre de mieux comprendre le fonctionnement des enzymes dans le corps humain, ce qui pourrait faire progresser la médecine et les soins de santé. Les enzymes de la salive ont une forme qui leur permet de se fixer à un glucide complexe nommé amidon. Elles le découpent alors en petits glucides. Ce sont des sucres. L’ amidon est en effet une longue chaîne de sucres. teach with space - CatalISS | PR25b
Peux-tu trouver l’enzyme qui s’ajustera à l’amidon pour le décomposer en sucres ? Si besoin, découpe les images. Ce morceau d'amidon
doit être décomposé en sucres
à l’aide de l’une de ces enzymes
Lipase
Protéase
Amylase
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ACTIVITÉ 2
Activité 2 : Trouver la bonne enzyme
Vous avez appris que les enzymes sont des substances chimiques importantes pour que l’organisme casse des glucides complexes en sucres plus simples qui se transformeront en énergie dans le corps. Il est très important pour la santé des astronautes de déterminer si les enzymes agiront efficacement dans l’espace. C’est pourquoi vous allez aider Thomas dans son expérience CatalISS.
Le saviez-vous ? Les astronautes aiment la nourriture épicée Lorsque l’on vit en micropesanteur, les fluides du corps qui sont habituellement attirés en direction des pieds peuvent commencer à s’accumuler dans la tête, ce qui donne aux astronautes la sensation d’être congestionnés – comme quand on a un rhume. C’est pour cela que les astronautes trouvent que les aliments n’ont pas beaucoup de goût dans l’espace. Ils ont tendance à préférer les plats épicés ! Sur cette photo, les astronautes apprécient de manger du riz épicé à la Jamaïcaine avec des haricots.
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ACTIVITÉ 2
Quelle enzyme faut-il utiliser ?
Activité de la classe Pour cette activité, il vous faut une copie de la présentation du système digestif de l’astronaute (votre professeur vous en remettra une). Tout d’abord, dessinez votre visage dans le casque. Puis mettez de la colle sur la languette et collez-la à la deuxième feuille pour faire un petit livre qui s’ouvre pour faire apparaître le système digestif. Les parties du système digestif doivent être légendées. Toute la classe va fabriquer modèle géant du système digestif et apprendre les fonctions des différents organes. Utilisez de ce que vous avez appris avec ce modèle et les informations figurant sur ces feuilles pour légender le système digestif de l’astronaute.
Le voyage des aliments 1) La bouche Nous avons déjà vu que la nourriture est mâchée et mélangée avec des enzymes dans la bouche. Que se passe-t-il ensuite ? Alors que la digestion commence dans la bouche, c’est seulement le début d’un très long voyage pour votre nourriture. 2) En direction de l’estomac Tout d’abord, la nourriture doit aller dans l’estomac. Cela prend un moment. Pour commencer ce processus, il faut tout d’abord avaler. Lorsque l’on avale, la langue pousse les aliments vers l’arrière de la gorge, où ils passent dans un long tube qu’on appelle l’œsophage, qui aboutit dans l’estomac. Des muscles spécifiques de l’œsophage poussent les aliments de façon à ce qu’ils continuent à avancer dans la bonne direction. Que pensez-vous qu’il arrive si un aliment passe par la trachée au lieu de l’œsophage ?
Pour empêcher que cela se produise, un volet spécial nommé épiglotte bloque la trachée lorsque l’on avale.
Le saviez-vous ? Cela a pris du temps avant qu’on mange dans l’espace ! La première personne qui a mangé dans l’espace était John Glenn, astronaute de la NASA. Il a mangé une sauce à la pomme sortie d’un tube. Les scientifiques s’inquiétaient de savoir si la nourriture irait bien dans l’estomac ou non, en micropesanteur, donc ils ont voulu faire l’essai tout d’abord avec un aliment facile à avaler. L’astronaute n’a pas eu de problème de digestion mais il a dit que cet aliment n’était pas très bon ! teach with space - CatalISS | PR25b
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ACTIVITÉ 3
Activité 3 : Un modèle du l'appareil digestif
4) L’intestin grêle Après 4 heures, la nourriture passe de l’estomac à l’intestin grêle, un tube enroulé qui peut mesurer jusqu’à 1,5 mètre de long. Dans la première partie de l’intestin grêle, d’autres enzymes, fabriquées par deux organes, le foie et le pancréas, achèvent la décomposition des aliments en nutriments utiles. Dans la deuxième partie de l’intestin grêle, ces nutriments sont absorbés dans l’organisme par les vaisseaux sanguins qui entourent l’intestin grêle. 5) Le gros intestin Lorsque le sang a absorbé tous les nutriments utiles de la nourriture digérée, le résidu avance dans le gros intestin où l’eau est éliminée. Ce qui reste est constitué principalement de déchets non digérés qui passent finalement par l’anus et sont éliminés du corps.
Le saviez-vous ? L’ISS a des toilettes spéciales ! Tout comme vous, les astronautes doivent digérer leur nourriture et se retrouvent avec des déchets. Ils doivent s’entraîner pendant des mois pour utiliser des toilettes spatiales spéciales qui aspirent les déchets. Les déchets solides sont compactés, stockés et envoyés brûler dans l’atmosphère de la terre. Les déchets liquides sont recyclés en eau potable ! Sur la photo, Tim Peake montre comment fonctionnent les toilettes de l’ISS. Vous pouvez à présent compléter l’image du déplacement de la nourriture dans le corps de l’astronaute pendant la digestion. Parmi ces processus, quel est celui qui pourrait éventuellement être différent dans l’espace ?
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ACTIVITÉ 3
3) Dans l’estomac Une fois que la nourriture a atteint l’estomac, elle va y rester pendant environ 4 heures. Des enzymes en plus grand nombre commencent à agir sur les aliments présents dans l’estomac. Les enzymes les décomposent en nutriments utiles que l’organisme peut utiliser. L’estomac contient également de l’acide, qui active les enzymes et tue les bactéries.
Votre mission est de réaliser une enquête pour déterminer quel liquide conviendrait le mieux pour décomposer les aliments dans l’estomac. Vous pouvez tester la capacité d’un liquide à décomposer des aliments en observant l’effet qu’a ce liquide sur des coquilles d’œuf pendant la nuit. Plus le liquide est bien approprié pour décomposer un aliment, plus la coquille sera dissoute.
Equipement à utiliser : • • • • • • • • •
Pots de confiture Œufs cuits durs Eau Jus d’orange Vinaigre Lait Huile Un marqueur Film alimentaire
Vous travaillerez par groupe de 5 pour réaliser votre expérience. Discutez de la façon de procéder pour tester la capacité des liquides à dissoudre de la coquille d’œuf. Votre professeur vous donnera une feuille sur laquelle vous indiquerez votre démarche et noterez vos résultats. Lorsque l’expérience sera terminée, vous comparerez vos résultats à ceux des autres groupes de la classe. Avez-vous trouvé le liquide qui est le mieux adapté pour contribuer à la digestion ?
Le saviez-vous ? Dans l’espace, les rots sont mouillés ! Dans l’espace, si vous buvez une boisson gazeuse, le gaz ne montera pas en haut de l’estomac comme c’est le cas sur terre. Le gaz se mélange avec les aliments contenus dans l’estomac et si l’on fait un rot, il est mouillé – c’est un mélange d’aliments liquides et de gaz !
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ACTIVITÉ 4
Activité 4 : Dans l’estomac
sur terre et dans l’ISS Dans cette activité, vous allez répéter l’expérience CatalISS que Thomas Pesquet a réalisé dans l’ISS. En comparant vos résultats aux siens, vous essaierez de découvrir s’il existe des différences dans la façon dont les enzymes décomposent les aliments dans l’espace et sur Terre. L’enzyme que vous allez utiliser est la pepsine. La pepsine est capable de décomposer les longues molécules de protéine des aliments en peptides plus petits. L’organisme utilise plus facilement les peptides pour fabriquer du muscle, des os, etc… La protéine que vous utiliserez pour cette expérience est la gélatine. Elle a été colorée avec un colorant alimentaire pour qu’il soit plus facile d’observer la quantité de gélatine qui a été décomposée.
Aperçu de l’expérience : Vous travaillerez avec votre professeur pour monter deux dispositifs à seringues. Dans une seringue, on placera une couche de gélatine sur une couche de pepsine liquide. Dans l’autre seringue se trouvera une couche de pepsine liquide sur une couche de gélatine.
Pepsine (enzyme) sur le dessus de la gélatine
Gélatine sur le dessus de la pepsine (enzyme)
Réfléchissez sur la façon dont la pesanteur pourrait avoir un effet sur la digestion de la gélatine dans l’espace et déterminez comment l’état d’apesanteur dans l’espace pourrait modifier la digestion.
Que devez-vous faire ? En groupes, échangez vos idées et prévisions et utilisez le formulaire d’investigation CatalISS (que votre professeur vous remettra) pour noter vos idées et résultats. Sur la base de vos résultats, expliquez si le fait d’être dans l’espace aura un effet sur la digestion de l’astronaute teach with space - CatalISS | PR25b
ACTIVITÉ 5
Activité 5 : CatalISS - Études des enzymes
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