Quelques propriétés des milieux biologiques

1. L'eau, constituant principal de la matière vivante

L'eau est le constituant le plus abondant de la matière vivante : elle représente environ 60 % de la masse du corps d'un adulte, davantage dans les fruits frais et les jeunes feuilles, beaucoup moins dans les graines sèches (environ 10 %). On mesure la teneur en eau par dessiccation : on pèse l'échantillon frais, on le sèche à l'étuve jusqu'à masse constante, on le repèse.

teneur en eau (\%) = m_frais - m_secm_frais × 100

L'eau a des propriétés essentielles pour la vie :

• c'est un excellent solvant : elle dissout les sels, les sucres, les acides aminés ; c'est dans l'eau que se font les réactions chimiques de la cellule ;
• elle transporte les substances (sang, lymphe, sève) ;
• elle participe aux réactions : l'hydrolyse (digestion) consomme de l'eau, la photosynthèse aussi ;
• elle régule la température : elle absorbe beaucoup de chaleur avant de s'échauffer, et son évaporation (transpiration, sueur) refroidit le corps.

2. Les sels minéraux

Les sels minéraux restent sous forme de cendres quand on brûle (calcine) la matière sèche. Dans l'organisme, ils sont dissous sous forme d'ions : sodium Na^+, potassium K^+, calcium Ca²⁺, magnésium Mg²⁺, chlorure Cl^-, phosphate, hydrogénocarbonate HCO₃^-… Certains éléments sont présents en très petites quantités mais indispensables : les oligoéléments (fer, iode, fluor, zinc).

3. Les solutions et leur concentration

Une solution est formée d'un solvant (l'eau) et de solutés dissous. On exprime sa composition par :

• la concentration massique : C_m = mV, en g/L ;
• la concentration molaire : C = nV = C_mM, en mol/L.

Pour les échanges d'eau, ce qui compte n'est pas la nature des particules mais leur nombre. Une molécule de glucose reste entière en solution ; mais le chlorure de sodium se dissocie en deux ions : NaCl → Na^+ + Cl^-. On définit donc l'osmolarité : le nombre de moles de particules dissoutes par litre.

osmolarité = i × C

où i est le nombre de particules libérées par une unité de soluté (i = 1 pour le glucose et le saccharose ; i = 2 pour NaCl ; i = 3 pour CaCl₂).

4. La diffusion et l'osmose

La diffusion : quand on dépose un cristal de permanganate de potassium au fond d'un verre d'eau, la couleur violette s'étend peu à peu à tout le verre, sans agitation. Les particules d'un soluté se déplacent spontanément de la région où elles sont les plus concentrées vers la région où elles sont les moins concentrées, jusqu'à l'égalité des concentrations. C'est la diffusion. Le dioxygène passe ainsi de l'air des poumons vers le sang.

L'osmose : on sépare deux solutions par une membrane semi-perméable, qui laisse passer l'eau mais pas le soluté (membrane de cellophane pour le saccharose, par exemple). On observe que l'eau passe de la solution la moins concentrée vers la solution la plus concentrée. C'est l'osmose.

L'expérience classique est l'osmomètre (de Dutrochet) : un entonnoir fermé par une membrane semi-perméable, rempli d'eau sucrée et plongé dans de l'eau pure. Le liquide monte dans le tube de l'entonnoir : l'eau pure est entrée dans la solution sucrée.

Pour comparer deux solutions, on dit que :

• la solution la plus concentrée (en particules) est hypertonique ;
• la moins concentrée est hypotonique ;
• deux solutions de même osmolarité sont isotoniques : il n'y a pas de passage net d'eau.

5. La pression osmotique

La pression osmotique P d'une solution est la pression qu'il faudrait exercer pour empêcher l'eau pure d'y entrer par osmose. Plus une solution est concentrée, plus sa pression osmotique est forte, et plus elle « attire » l'eau. Elle se calcule par la loi de Van 't Hoff :

P = i × C × R × T

• P en pascals (Pa) ;
• C en mol/m³ (1 mol/L = 1 000 mol/m³) ;
• R = 8,31 J·mol⁻¹·K⁻¹ ;
• T en kelvins : T = θ + 273.

6. Les échanges d'eau dans les cellules

La membrane plasmique se comporte à peu près comme une membrane semi-perméable. Les cellules subissent donc l'osmose.

Cellule végétale (épiderme d'oignon rouge observé au microscope) :

• dans l'eau pure (milieu hypotonique), l'eau entre : la vacuole gonfle, la cellule est turgescente ; la paroi l'empêche d'éclater ;
• dans une solution salée ou sucrée concentrée (milieu hypertonique), l'eau sort : la vacuole se rétracte et le cytoplasme se décolle de la paroi. C'est la plasmolyse. Si l'on replace la cellule dans l'eau pure, elle redevient turgescente : la déplasmolyse. C'est ce qui s'est passé pour les tranches de concombre salées.

Globule rouge (cellule animale, sans paroi) :

• dans une solution hypotonique (eau pure, NaCl à 3 g/L), l'eau entre, le globule gonfle et éclate : c'est l'hémolyse ;
• dans une solution isotonique (NaCl à 9 g/L), il garde sa forme ;
• dans une solution hypertonique (NaCl à 20 g/L), il perd de l'eau et se ratatine (il prend un aspect crénelé).

Ces connaissances ont des applications pratiques : le salage et le sucrage conservent les aliments (poisson salé, confiture), car les microbes s'y plasmolysent ; la solution de réhydratation orale (eau, sel, sucre) soigne la déshydratation due aux diarrhées ; un excès d'engrais autour des racines « brûle » les plantes, car le sol devient hypertonique et l'eau sort des racines.