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Module de démonstration

© Crédits: Mathieu Riopel et Claudie Montambault, Cégep Garneau. 1

Le mouvement brownien, la diffusion et le transport membranaire

1. Aperçu Ce module de démonstration présente l’utilisation d’un montage qui permet d’illustrer le phénomène de mouvement brownien correspondant à l’agitation aléatoire incessante de particules en suspension dans un fluide. Le montage qui sera décrit dans ce document constitue une analogie à grande échelle de ce phénomène. C’est en 1828 que Robert Brown décrit pour la première fois ses observations du mouvement constant de particules en suspension dans un liquide. Du point de vue de la physique, l’explication théorique de ce phénomène constitua l’une des preuves importantes en faveur de la théorie de l’atome au début du XXe siècle. Le mouvement brownien est également un mécanisme essentiel au transport de la matière dans les organismes vivants. Il permet la diffusion des molécules et leur transport à travers la membrane cellulaire. Le montage de démonstration inclut donc des modèles de membranes qui permettent d’illustrer les différents types de transports membranaires abordés dans le cours de biologie Physiologie du vivant.

2. Liens avec le programme de Sciences de la nature 203-NYC-05 – Ondes et physique moderne

- Analyser quelques situations à partir de notions de la physique moderne.

101-CKA-05 – Physiologie du vivant - Analyser les relations structure-fonction à la base de l’organisation pluricellulaire.

202-NYA-05 – Chimie générale - Appliquer le modèle probabiliste de l’atome à l’analyse des propriétés des éléments.

Buts généraux du programme - Établir des liens entre la science, la technologie et l’évolution de la société. - Situer le contexte d’émergence et d’élaboration des concepts scientifiques.

3. Repères historiques et culturels Le mouvement brownien et l’hypothèse atomique Le mouvement brownien est fréquemment présenté comme l’une des premières observations scientifiques ayant mené à l’acceptation de l’idée de l’atome. Les premières observations de ce mouvement sont réalisées en 1827 par Robert Brown, un important botaniste à son époque. Il remarque que certaines particules en suspension provenant de grains de pollen présentent un mouvement irrégulier et aléatoire. Croyant d’abord qu’il s’agit d’une particularité des organismes vivants, il étend ses observations à d’autres substances organiques, puis inorganiques. À son grand étonnement, il réalise que même des particules inorganiques en suspension peuvent présenter ce même type de mouvement de tremblement incessant.


Une explication satisfaisante de ce phénomène n’est fournie que plusieurs décennies plus tard. Au tout début du XXe siècle, alors que l’hypothèse de l’atome est encore chaudement débattue dans la communauté scientifique, le jeune Albert Einstein suggère que le mouvement aléatoire observé par Robert Brown est causé par les chocs incessants entre les « grosses » particules en suspension et les « petites » molécules du fluide environnant. Les prédictions d’Einstein, que l’on retrouve dans l’un des articles qu’il publia en 1905, seront confirmées peu de temps après par Jean Perrin qui présenta en 1913, dans son livre Les atomes, une synthèse de différentes expériences convergeant toutes vers une même valeur du nombre d’Avogadro et qui acheva de convaincre la majorité des scientifiques de la validité de l’hypothèse de l’atome. Références Schmitt, S. (2006), De Brown au mouvement brownien, Pour la science, no 339 Cet article très complet décrit l’importance historique qu’a eue le mouvement brownien ainsi que des éléments biographiques à propos de Robert Brown. Il s’agit d’un excellent complément à ce module de démonstration.

Layton, D. (1965), The original observations of Brownian motion, J. Chem. Educ., no 42 (7), p: 367. Plusieurs ouvrages de référence et manuels indiquent de façon erronée que Robert Brown aurait observé le mouvement de grains de pollen en suspension. Ce sont plutôt de petites particules contenues à l’intérieur des grains de pollen, probablement des granules cytoplasmiques, qui auraient été observées. Cet article offre des précisions sur les observations originales de Brown afin d’éviter certaines confusions largement véhiculées à propos du mouvement Brownien.

Hamblin, R. (2011), The Art of Science – A natural History of Ideas, Picador On retrouve dans ce livre différents textes historiques écrits par des scientifiques et communicateurs importants. Chacun des textes est commenté par l’auteur. Un des chapitres est consacré aux écrits de Robert Brown et au mouvement brownien.

4. Concepts de biologie et de physique Physique Le phénomène du mouvement brownien correspond à une agitation aléatoire que subit une particule immergée dans un fluide. Ce sont les chocs incessants entre les molécules du fluide et la particule immergée qui provoquent le mouvement aléatoire de celle-ci. L’analyse de ce phénomène ne fait pas partie des concepts qui sont généralement couverts dans les cours de physique au collégial. Toutefois, comme le mouvement brownien fut d’une grande importance historique pour confirmer l’hypothèse de l’atome, il peut être intéressant d’en faire mention dans le cours Ondes et physique moderne (203-NYC-05).

Trois tracés présentant des observations du mouvement Brownien réalisés par Jean Perrin.


Biologie Les molécules d’eau dans laquelle baignent tous les solutés d’un organisme vivant sont constamment en mouvement. Les chocs entre ces petites molécules d’eau et les solutés entraînent un mouvement incessant et irrégulier de ceux-ci. C’est le mouvement brownien. Diffusion Lorsque la concentration d’une substance en solution augmente, la fréquence des collisions sera plus grande. Cette substance aura alors tendance à se déplacer plus rapidement. Si elle se déplace entre deux régions de concentrations différentes, le mouvement net qui en résultera est la diffusion. Le mouvement net de diffusion entre deux régions de concentrations différentes se fait de la région plus concentrée vers la région moins concentrée. La différence de concentration entre deux régions se nomme gradient de concentration.

Transport membranaire Lorsqu’une membrane sépare deux concentrations différentes d’un soluté, la perméabilité de la membrane détermine, en plus du gradient de concentration, la vitesse de la diffusion.

La loi de la diffusion de Fick Les paramètres qui influencent la diffusion d’une substance à travers une membrane cellulaire sont énumérés dans le tableau ci-dessous avec leur influence sur la vitesse de diffusion.

Gradient de concentration ∆C ↑∆C Þ ↑diffusion

Surface de la membrane A ↑A Þ ↑diffusion

Solubilité des lipides 𝜷 ↑𝜷Þ ↑diffusion

Poids moléculaire MW ↑MW Þ ↓diffusion

Épaisseur de la membrane ∆x ↑∆x Þ ↓diffusion

𝑽𝒊𝒕𝒆𝒔𝒔𝒆𝒅𝒆𝒅𝒊𝒇𝒇𝒖𝒔𝒊𝒐𝒏 =

𝑨𝜷𝜟𝑪𝑴𝑾𝜟𝒙

Références Sherwood, L. (2016). PhysiologieanimaleDeBoecksupérieur,Louvain-la-NeuveOn retrouve dans ce manuel une description détaillée des principes de diffusion et de transport moléculaires à travers une membrane plasmique.


5. Démonstrations – Un modèle du mouvement brownien Matériel nécessaire • Le montage du modèle de mouvement brownien (voir l’annexe 1 pour des détails sur sa

fabrication) • Petites billes de cuivre et boules de polystyrène • Trois modèles de membrane • Une caméra peut-être nécessaire afin de bien montrer le montage à une classe entière.

Précisions techniques Le montage du modèle de mouvement brownien est essentiellement constitué d’un haut-parleur qui est mis en mouvement par un signal généré par un petit circuit électronique amplifié par un amplificateur. Le haut-parleur permet d’agiter un plateau qui contient des billes de cuivre et des boules de polystyrène. Voici les étapes à suivre pour mettre en fonction le montage.

1. Brancher l’amplificateur à une prise électrique. 2. Allumer la pile 9 V se trouvant dans son petit boîtier noir (petit interrupteur on/off). 3. Mettre en fonction l’amplificateur en plaçant les deux interrupteurs (Power et Speaker)

à la position On. 4. Augmenter graduellement le volume jusqu’à ce que l’agitation des billes soit suffisante.

Lorsque l’utilisation du montage est terminée, il est très important d’éteindre la pile 9 V pour ne pas avoir à la remplacer lors de la prochaine utilisation du montage. Cette pile génère un courant qui permet au circuit électronique de produire le signal qui est amplifié par l’amplificateur. Il est possible avec le temps que le circuit électronique se désajuste et que le signal n’ait plus la bonne intensité ou fréquence. Il est possible d’ajuster le circuit grâce à deux petits potentiomètres. Au lieu d’utiliser le signal généré par le circuit électronique, il est possible de générer un signal à l’aide d’un ordinateur en reliant la sortie pour écouteurs de l’ordinateur à l’entrée de l’amplificateur. Cette option peut être utile lorsque le circuit fait défaut ou que la pile de 9 V ne fonctionne plus. Le site web suivant permet de générer des signaux à différentes fréquences : http://www.szynalski.com/tone-generator. Une fréquence située entre 30 Hz et 40 Hz donne généralement de bons résultats avec ce montage. Des vis situées aux quatre coins du montage permettent l’ajustement du niveau. Il est important que le montage soit bien au niveau pour obtenir un fonctionnement optimal.


Suggestions de mise en œuvre Le montage du modèle du mouvement brownien est essentiellement constitué d’un haut-parleur qui est agité. Sur ce haut-parleur se trouve un contenant dans lequel on place des petites billes de cuivre (jouant le rôle de molécules d’eau) et des boules de polystyrène (jouant le rôle de particules effectuant un mouvement brownien). 1- L’agitation moléculaire des molécules d’eau On peut d’abord discuter de l’analogie entre l’agitation des billes de cuivre et des molécules d’eau dans un liquide. En augmentant l’intensité des vibrations du haut-parleur (à l’aide du bouton Volume de l’amplificateur), on illustre l’effet d’une augmentation de la température. Ainsi, plus la température est élevée, plus le mouvement des particules est intense. 2- Le mouvement des substances en solution dans l’eau

A) Le mouvement brownien Ajouter des billes de styromousse sur les billes de cuivre. L’agitation des billes de cuivre entraîne des oscillations et des mouvements de translation des billes de styromousse qui représentent les substances dissoutes. B) La diffusion Pour illustrer ce phénomène, placer les billes de polystyrène colorées d’un côté de la surface et attendre. Après un certain temps, la répartition des billes sera uniforme. Lorsque la température augmente, l’énergie cinétique des molécules est plus élevée et cela accroît la vitesse de diffusion. Pour illustrer ce phénomène, augmenter l’intensité de l’agitation avec le bouton Volume de l’amplificateur. On observe alors une augmentation de la vitesse de répartition des billes colorées.

Montage du modèle du mouvement brownien. Des boules de polystyrène de différentes tailles sont placées dans le contenant.


3- Transport à travers la membrane cellulaire. A) Diffusion simple à travers les phosphoglycérolipides (non facilitée) Les substances liposolubles comme l’oxygène et les petites molécules polaires comme le CO2 sont solubles dans les lipides membranaires et diffusent de part et d'autre de la membrane dans le sens de leur gradient de concentration. Pour illustrer ce phénomène, placez le modèle de membrane qui laisse passer les petites billes colorées partout le long de la membrane grâce à un espace suffisant entre les dents du peigne qui représentent les molécules de phosphoglycérolipides.

B) Diffusion facilitée par une protéine de transportDes protéines transmembranaires sont insérées à travers la bicouche de phosphoglycérolipides. Certaines de ces protéines sont appelées protéines de transport et permettent à des molécules peu solubles dans les lipides membranaires de traverser la membrane. Les ions (Na+, K+, Cl- H+) et les molécules polaires de grande taille (acides aminés, protéines, glucose) sont des exemples de molécules peu solubles dans les lipides membranaires. Pour illustrer ce phénomène, placez le modèle de membrane qui est percé de trous d’une grosseur qui ne laisse passer qu’un seul type de billes de styromousse. Les trous représentent les canaux protéiques qui sont spécifiques à un soluté tels que des acides aminés et ions.

Un peigne est utilisé pour illustrer l’effet d’une membrane cellulaire.

La membrane d’une cellule est composée principalement d’une double couche de phosphoglycérolipides

Des protéines permettent à des molécules de traverser la membrane : à gauche, des canaux protéiques passifs, à droite des

canaux actifs qui nécessitent un apport externe d’énergie.

Des espaces (marqués en jaune) permettent à de plus grosses boules de polystyrène de traverser la membrane.


C)Transport membranaire actif Ce type de transport s’applique aux molécules qui traversent la membrane contre leur gradient de concentration, d’une région où elles sont peu concentrées vers une région où elles sont plus concentrées. Ce type de transport nécessite un apport externe d’énergie (comme pour faire monter une balle en haut d’une pente) pour changer la conformation d’un canal protéique et permettre ainsi le déplacement de la substance. L’énergie cellulaire utilisée pour activer un canal membranaire est l’ATP. Pour illustrer ce phénomène, placez le modèle de membrane qui comprend des portes qui doivent être ouvertes par une source d’énergie extérieure, comme une poussée avec les doigts. D) Transport des ions selon un gradient électriqueLe mouvement des ions est affecté par leur gradient de concentration, mais aussi par leur charge électrique. Des charges identiques se repoussent et des charges opposées s’attirent. S’il existe une différence de charge entre deux régions, cette différence crée un gradient électrique qui induit un mouvement passif des ions positifs vers la région chargée négativement et des ions négatifs vers la région chargée positivement. Seuls les ions susceptibles de traverser la membrane par un canal peuvent voyager dans le sens du gradient électrique. Au gradient électrique peut aussi s’ajouter un gradient de concentration qu’on nomme alors gradient électrochimique. Le mouvement généré par des différences de charge est un processus plus rapide que la diffusion selon le gradient de concentration, car les interactions entre les charges créent une force puissante. Le transport d’ions Na+ et K+ lors du potentiel d’action de l’influx nerveux sont des exemples de ce phénomène. Pour illustrer l’effet d’un gradient électrique, on peut créer une différence d’énergie potentielle gravitationnelle entre les deux côtés du contenant. Pour y arriver, il suffit de modifier le niveau du montage en rabaissant un côté du montage. Les billes auront une tendance à « descendre » le gradient de potentiel.

Ce modèle de membrane contient des canaux qui peuvent être fermés ou ouverts.


Annexe 1 – Notes sur la fabrication du modèle du mouvement brownien Matériaux pour la fabrication du montageLe montage est constitué d’un haut-parleur de 12 pouces sur lequel un moule à gâteau de 8 pouces est installé et collé avec de la gommette. Des billes de laiton ayant un diamètre de 1,588 mm sont placées au fond du moule à gâteau. Signal utilisé pour mettre en mouvement le haut-parleur Une onde carrée de fréquence entre 30 Hz et 40 Hz permet de mettre en mouvement le montage. Cette onde est générée par un circuit électronique dont les schémas sont disponibles à l’adresse suivante : http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/Adjustable-square-wave-generator-circuit-with-a-555-timer.php Le signal généré par ce circuit est amplifié par un petit amplificateur AMX RS-210.

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