Diffusion et osmose

Cette leçon porte sur les échanges qui se font sans que la cellule dépense d'énergie : la diffusion et l'osmose. Ce sont des phénomènes physiques que tu observes tous les jours, dans une tasse de thé ou dans une salade qu'on assaisonne trop tôt. Tu vas apprendre à prévoir le sens de ces mouvements, puis à prédire ce qui arrive à une cellule plongée dans une eau plus ou moins salée. C'est une compétence très utile, du laboratoire à la cuisine, en passant par la conservation des aliments.

Pose un sachet de kinkéliba ou de thé dans une tasse d'eau chaude, sans remuer. La couleur part du sachet et gagne peu à peu toute la tasse. C'est la diffusion. Chaque molécule avance au hasard, poussée par les chocs de ses voisines, et ces trajets désordonnés finissent par les étaler de là où elles sont nombreuses vers là où elles sont rares. On dit qu'elles suivent leur gradient de concentration. La cellule ne paie rien pour ce mouvement. Observe aussi le rythme : la couleur avance vite près du sachet, où l'écart est fort, puis de plus en plus lentement. Quand la tasse est uniforme, les molécules bougent toujours, mais autant dans un sens que dans l'autre. Dans de l'eau froide, tout se passe plus lentement.

Trois questions décident du passage à travers le centre gras : la molécule est-elle petite, se dissout-elle dans les graisses, porte-t-elle une charge ? Classe les candidats du plus rapide au plus lent. Les gaz d'abord : le dioxygène entre dans tes globules rouges au niveau des poumons et le dioxyde de carbone en sort en une fraction de seconde. Puis les petites molécules grasses : l'éthanol d'une boisson, ou des hormones comme le cortisol, qui entrent dans la cellule sans porte. L'eau et l'urée, petites mais attirées par l'eau, passent lentement. Tout en bas, les ions : même minuscule, un ion porte une charge qui le garde entouré de molécules d'eau, et le centre gras le repousse. Le glucose, trop gros et trop polaire, reste aussi dehors. Pour eux, la cellule a besoin de portes spéciales, que tu verras dans la leçon suivante.

L'osmose est un cas particulier de diffusion : celle de l'eau à travers une membrane qui laisse passer l'eau mais pas les substances dissoutes. Retiens le sens du mouvement : l'eau va vers le côté le plus concentré en solutés, comme si elle cherchait à le diluer. Prends des rondelles de concombre et saupoudre-les de sel. Au bout de quelques minutes, elles baignent dans un jus. Le sel a rendu l'extérieur des cellules très concentré, et l'eau est sortie des cellules par osmose. C'est aussi pour cela qu'on sale une salade au dernier moment.

Dans une pharmacie, à Lomé comme à Lyon, tu trouves des dosettes de sérum physiologique pour le nez ou les yeux. Elles contiennent neuf grammes de sel par litre, la concentration qui ne fait ni gonfler ni rétrécir tes cellules. On la dit isotonique. Ces trois mots, hypotonique, isotonique et hypertonique, décrivent toujours une solution par comparaison avec une cellule donnée. Au laboratoire, on le montre avec trois tubes de globules rouges. Dans le tube d'eau pure, moins concentrée que les cellules, l'eau entre, les globules gonflent et éclatent : le liquide rouge et trouble devient limpide. Dans le sérum physiologique, rien ne change. Dans une eau très salée, l'eau sort, et les globules se rident et se hérissent de petites pointes.

Au marché, les vendeuses aspergent d'eau leurs bottes d'oseille et de feuilles de patate douce pour qu'elles restent fermes jusqu'au soir. Elles appliquent, sans le dire, une leçon de biologie cellulaire. Pense à une roue de vélo : la paroi est le pneu, la vacuole la chambre à air. Quand la cellule reçoit de l'eau, la vacuole se gonfle et appuie sur la paroi, qui tient bon : la cellule est turgescente, et des milliers de cellules gonflées rendent la feuille raide. Si la feuille perd de l'eau au soleil, la pression baisse et elle ramollit. Dans une eau très salée, on va plus loin : la vacuole se vide, et la membrane se détache par endroits de la paroi. C'est la plasmolyse. Tu peux la voir avec l'épiderme d'un oignon rouge : la couleur de la vacuole se ramasse au centre de chaque cellule.

Voici une expérience que tu peux faire dans une cuisine. Coupe des morceaux de même taille dans une patate douce ou une pomme de terre. Place-les dans plusieurs verres : eau pure, eau peu salée, eau de plus en plus salée. Pèse chaque morceau ou mesure sa longueur au millimètre, avant et après une heure. Dans l'eau pure, les morceaux gagnent de la masse et deviennent fermes. Dans l'eau très salée, ils en perdent et deviennent mous. Calcule la variation en pourcentage et trace un graphique. La concentration où la masse ne change pas est proche de celle de l'intérieur des cellules.

Quelques règles suffisent pour prévoir ce que fera une cellule dans un milieu donné. La diffusion fait passer une substance du côté le plus concentré vers le moins concentré, sans dépense d'énergie. Seuls les gaz et les petites molécules qui se dissolvent dans les graisses traversent vite la bicouche ; l'eau passe lentement, les ions pas du tout. L'osmose est la diffusion de l'eau, qui se dirige vers le côté le plus concentré en solutés. Un globule rouge éclate dans l'eau pure et se ride dans une eau très salée, tandis qu'une cellule végétale devient turgescente ou se plasmolyse. Reste une question : comment la cellule fait-elle passer ce que la bicouche bloque ? C'est le sujet de la leçon suivante.