• Poudre agar-agar
• Balance électronique
• Éprouvette graduée
• Eau
• Fouet ou fourchette
• Bol convenant au micro-ondes ou récipient d’un volume de 500 ml au minimum
• Micro-ondes (pas sur l’illustration)
• Manique ou gant pour le four
• Surface résistante à la chaleur
• Indicateur de pH tel que bleu de bromothymol ou phénolphtaléine
• Ammoniaque
• Petit plat de cuisson en verre ou moules en silicone pour produire des cubes de glace
• Règle métrique en plastique transparente
• Couteau bien aiguisé
• Récipient transparent pour immerger les cubes d’agar-agar
• Vinaigre
• Calculatrice
• Crayon de papier et bloc-notes
• Cuillère
• Papier blanc ou assiette
• Chronomètre

1. Mesurez 1,6 g d’agar-agar et 200 ml d’eau. Mélangez-les à l’aide d’un fouet ou d’une fourchette dans un grand bol convenant au micro-ondes.
2. Chauffez la solution dans le micro-ondes à une puissance élevée pendant 30 secondes. Placez-la sur une surface résistant à la chaleur en utilisant une manique ou un gant pour le four, remuez puis remettez-la dans le micro-ondes pendant 30 secondes. Répétez ce processus jusqu’à ébullition de la préparation. (Gardez un œil attentif car l’ébullition peut être très rapide !) Une fois l’ébullition atteinte, déplacez le récipient et mettez-le sur un dessous de plat ou une autre surface résistante à la chaleur.
3. Choisissez UN indicateur de pH (bleu de bromothymol ou phénolphtaléine) et ajoutez-en quelques gouttes à la solution d’agar-agar. Si vous utilisez du bleu de bromothymol, ajoutez suffisamment d’indicateur afin que le mélange devienne bleu. S’il a une teinte verdâtre, ajoutez une goutte d’ammoniac à la fois jusqu’à ce qu’il passe au bleu (voir la photo ci-dessous). Si vous utilisez de la phénolphtaléine,
   ajoutez suffisamment d’indicateur afin que le mélange devienne rose pâle. Versez les gouttes d’ammoniac une à une jusqu’à ce que le mélange devienne (et reste) rose vif (voir la photo ci-dessous).
4. BILD
5. Versez délicatement la solution d’agar-agar dans les moules en silicone pour cubes de glace ou dans un petit plat de cuisson en verre. Assurez-vous que la profondeur des blocs d’agar-agar soit de 3 cm au minimum après solidification. Si vous n’avez pas assez de solution, fabriquez-en plus en utilisant un ratio de 0,8 g de poudre d’agar-agar pour 100 ml d’eau.
   
6. Laissez l’agar-agar refroidir jusqu’à solidification (d’habitude, une heure est suffisante). Démoulez les blocs d’agar-agar ou coupez-les dans le plat à l’aide d’un couteau bien aiguisé pour obtenir deux séries de cubes de trois tailles : 1 x 1 x 1 cm, 2 x 2 x 2 cm, et 3 x 3 x 3 cm. Si vous utilisez du bleu de bromothymol, vous devriez avoir deux séries de cubes bleus. Si vous utilisez de la phénolphtaléine, vous devriez avoir deux séries de cubes roses. Les séries doivent être identiques afin de comparer le changement de couleur plus tard dans le Snack.
7. BILD

Mettez quelques millilitres d’indicateur de pH dans un petit récipient (soit du bleu de bromothymol ou de la phénolphtaléine). Ajoutez quelques gouttes de vinaigre à l’aide d’un compte-gouttes. Que remarquez-vous ?

Étant donné que le vinaigre est un acide, il présente un grand nombre d'ions hydrogène. Lorsque les ions hydrogène entrent en contact avec l’indicateur de pH, la solution change de couleur.

Remplissez un récipient transparent avec du vinaigre jusqu’à une profondeur de 3 cm. Placez un cube d’agar-agar de chaque taille dans le vinaigre en vous assurant que les blocs soient immergés. Les blocs non préparés (un de chaque taille) seront utilisés pour la comparaison. À votre avis, que va-t-il se passer pour chaque cube ?

Déterminez l’aire de la surface et le volume de chaque cube. Pour trouver l’aire de la surface, multipliez la longueur d’un côté du cube par la largeur d’un côté du cube. Vous obtenez ainsi l’aire d’une face du cube. Multipliez ce nombre par 6 (le nombre de faces d’un cube) afin de déterminer l’aire totale de la surface. Pour trouver le volume, multipliez la longueur du cube par sa largeur et sa hauteur. Déterminez ensuite les ratios entre l’aire de la surface et le volume en divisant l’aire de la surface par le volume pour chaque cube.

Comment pouvez-vous savoir que des ions hydrogène entrent dans le cube ? À votre avis, de combien de temps les ions hydrogène auront-ils besoin pour diffuser entièrement dans chacun des cubes ? Pourquoi ? Pourquoi pouvez-vous affirmer que le vinaigre a entièrement pénétré dans le cube ?

Après cinq minutes, sortez les cubes du vinaigre au moyen d’une cuillère en plastique et déposez-les sur du papier blanc ou une assiette blanche. Comparez ces cubes avec les cubes non préparés et observez les changements de couleur.

Combien de vinaigre a été absorbé par chaque cube préparé ? Une façon d’effectuer cette mesure est de calculer le pourcentage du volume du cube qui a été pénétré par le vinaigre. (Astuce : Il peut être plus facile de considérer tout d’abord le volume qui n’a pas été pénétré par le vinaigre, c’est-à-dire la portion qui n’a pas encore changé de couleur.) Vous voulez modifier une de vos prédictions au sujet des durées de diffusion ? Quelles sont vos nouvelles prédictions ?

Remettez délicatement tous les cubes préparés dans le vinaigre. Continuez de contrôler les cubes trempés dans le vinaigre toutes les cinq minutes en les sortant afin de déterminer le pourcentage du cube qui a été pénétré par le vinaigre. Continuez ce processus jusqu’à ce que le vinaigre ait totalement pénétré dans les cubes. Notez l’heure qu’il est au moment où cela arrive.

Que remarquez-vous à propos du pourcentage de pénétration pour chacun des cubes aux différents intervalles de temps ? Quelles corrélations constatez-vous entre l’aire de la surface, le volume, le ratio entre l’aire de la surface et le volume, et le pourcentage de pénétration ? Qu’est-ce que cela signifie pour la diffusion si la taille d’un objet augmente ?

Les cellules biologiques ne peuvent survivre que si les substances peuvent entrer et sortir. Au cours de ce Snack, vous avez utilisé des cubes d’agar-agar pour visualiser comment la diffusion change en fonction de la taille de l’objet absorbant les substances.

La diffusion a lieu quand des molécules passent d’un milieu où la concentration est plus élevée vers un milieu où la concentration est moins élevée. Lorsque les ions hydrogène se déplacent depuis le vinaigre pour entrer dans le cube d’agar-agar, la couleur du cube change, ce qui vous permet de voir l’étendue de la diffusion. Alors que le mouvement aléatoire des molécules entraîne la poursuite du mouvement de va-et-vient des molécules et ions individuels entre le cube et la solution de vinaigre, les concentrations globales restent en équilibre avec des concentrations égales à l’intérieur et à l’extérieur du cube d’agar-agar.

Qu’avez-vous constaté à propos du pourcentage du cube dans lequel les ions hydrogène ont pénétré à différents intervalles de temps ? Une façon de résoudre cette question est de commencer par le volume du cube qui n’a pas
été pénétré ou, en d’autres termes, la partie centrale qui n’a pas encore changé de couleur. Pour déterminer le volume de ce cube intérieur, mesurez-en la longueur et multipliez-la par la largeur et la hauteur. Soustrayez la valeur obtenue du volume original du cube et vous obtenez le volume du cube qui a été pénétré. En divisant ce nombre par le volume original et en le multipliant par 100 %, vous pouvez déterminer le pourcentage de pénétration pour chaque cube.

Vous avez peut-être constaté que plus le cube trempé dans le vinaigre est grand, plus le temps nécessaire pour la diffusion dans le cube augmente aussi, mais pas de façon linéaire. En d’autres termes, si les dimensions du cube doublent, le temps pour une diffusion complète des ions hydrogène fait plus que doubler. Si vous triplez la taille, le temps nécessaire à la diffusion fait BEAUCOUP plus que tripler. Pour quelle raison ?

Si la taille d’un objet augmente, le volume augmente aussi, mais plus que vous ne le pensez. Par exemple, quand le cube double, passant d’une longueur de 1 cm à une longueur de 2 cm, l’aire de la surface augmente d’un facteur de quatre, passant de 6 cm² (1 cm x 1 cm x 6 côtés) à 24 cm² (2 cm x 2 cm x 6 côtés). Cependant, le volume augmente d’un facteur de huit, passant de 1 cm³ (1 cm x 1 cm x 1 cm) à 8 cm³
(2 cm x 2 cm x 2 cm).

Puisque le volume augmente d’un facteur plus élevé que l’aire de la surface, le ratio entre l’aire de la surface et le volume diminue. À mesure que la taille du cube augmente, le ratio entre l’aire de la surface et le volume diminue (cliquez pour agrandir le tableau ci-dessous). Le vinaigre ne peut entrer dans le cube qu’à travers sa surface ; dès le moment où le ratio diminue, le temps nécessaire pour que la diffusion se produise dans tout le volume augmente fortement.

Toute substance entrant dans une cellule (par exemple de l’oxygène et de la nourriture) ou en sortant (par exemple des déchets) doit traverser la membrane cellulaire. À mesure que la taille de la cellule augmente, le ratio entre l’aire de la surface et le volume diminue considérablement, exactement comme dans vos cubes d’agar-agar. Les cellules de plus grande taille doivent néanmoins transporter des substances à travers leurs membranes, mais elles ont un plus grand volume à approvisionner et une aire de surface proportionnellement plus petite à travers laquelle elles peuvent passer pour le faire.

Les cellules bactériennes sont assez petites et ont un ratio entre l’aire de la surface et le volume comparativement plus élevé. Les cellules eucaryotes, comme celles des plantes et des animaux, sont nettement plus grandes, mais disposent de structures supplémentaires pour les aider à effectuer le nombre de transports nécessaires à travers les membranes. Une série de structures liées à la membrane continues avec la membrane plasmique, telles que le réticulum endoplasmique, fournit une surface supplémentaire à l’intérieur de la cellule, permettant un transport suffisant. Toutefois, même avec ces stratégies, il existe des limites supérieures pour la taille des cellules.