b. L’invention du microscope optique
Le tout premier microscope aurait été inventé en 1595 par un Hollandais : Zacharias Janssen.
Il lui permet de grossir des petits objets de 3 à 10 fois.
Cinquante ans plus tard, Antoine van Leeuwenhoek et Robert Hooke perfectionnent cet outil afin d’observer des choses non visibles à l’œil nu.
Antoine van Leeuwenhoek (1632–1723), néerlandais, n’est pas scientifique mais artisan. Drapier, il utilise des loupes qui grossissent de 6 à 15 fois pour examiner les fibres des textiles qu’il vend.
En 1668, il construit un microscope, équipé d’une seule lentille biconvexe de forte résolution.
Curieux de nature, il s’en sert pour observer non seulement les fibres des textiles, mais aussi des organismes vivants invisibles à l’œil nu et dont personne n’imaginait l’existence (êtres vivants microscopiques d’une mare ou spermatozoïdes d’animaux).
N’étant pas scientifique, il n’utilise pas le terme « cellule » pour nommer ce qu’il a observé.
Au même moment, le scientifique Robert Hooke (1635–1703) développe son propre microscope optique.
Il publie un ouvrage, en 1665, Micrographia, dans lequel il présente ses observations microscopiques (notamment des dessins de protozoaires, micro-organismes unicellulaires) qui contribuent à la découverte du monde invisible.
Il présente également des coupes réalisées dans du liège qui montrent des petites cavités. Il nomme ces dernières « cellules ». C’est le premier à utiliser ce terme en 1667.
Introduction :
Nous savons que la matière organique est composée d’atomes caractéristiques, c’est-à-dire essentiellement d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Ces atomes s’assemblent de manière ordonnée pour former des molécules organiques.
Au niveau microscopique, ces molécules organiques s’associent entre elles pour former la structure de base de tous les êtres vivants : la cellule.
Dans une première partie, nous porterons notre attention sur les avancées technologiques qui ont permis d’observer ces cellules et de mettre en évidence les composants intracellulaires.Ensuite, nous étudierons la relation entre la composition des molécules organiques et la structure qui délimite ces cellules, à savoir la membrane plasmique.
L’observation des cellules
Les cellules sont des structures microscopiques. En conséquence, il est en général impossible de les observer à l’œil nu.
Définition
Cellule :
Une cellule est une structure organique délimitée par une membrane plasmique qui permet de séparer son contenu (organites répartis dans le cytoplasme) du milieu extérieur.
Les connaissances sur les cellules ont évolué au gré des progrès scientifiques, notamment grâce aux avancées réalisées dans la fabrication de lentilles optiques complexes.
Définition
Lentille optique :
La lentille optique est un composant capable de modifier la propagation des rayons lumineux. Observé à travers une lentille optique, les objets étudiés paraîtront plus petits ou plus grands.
Le microscope optique
Définition
Microscope :
Un microscope est un instrument d’optique permettant d’obtenir une image agrandie d’un objet petit et proche.
Dans les années 1650, le naturaliste Antonie van Leeuwenhoek construit son premier microscope. Cet appareil rudimentaire, car formé d’une seule lentille grossissante, lui a permis d’observer les premières cellules végétales.
Ces observations étaient de bonne qualité, car les structures étudiées avaient des tailles assez importantes, de l’ordre de 100 micromètres, ce qui équivaut 0,1 millimètres (limite de ce que peut voir l’œil).
Par la suite, les naturalistes ont l’idée d’associer plusieurs lentilles dans un seul microscope : on parle de microscope à lentilles multiples). Ce procédé permet d’augmenter les grossissements et la netteté des observations.
Ainsi, les premières bactéries sont caractérisées à la fin du XIXe siècle ; leur découverte a été plus tardive que celle des cellules végétales, car la taille des cellules bactériennes varie entre 0,1 et 1 micromètre. En d’autres termes, elles sont en général 100 à 1 000 fois plus petites que les cellules végétales.
Depuis, les microscopes ont subi de multiples améliorations. Actuellement, des observations en 3D sont possibles et un seul microscope permet d’effectuer des observations à différents grossissements.
Microscope optique utilisé à la fin du XIXe siècle (lentille simple), ©Rama
Microscope optique utilisé actuellement (lentilles multiples), ©Sarah Greenwood
Le microscope électronique en transmission (MET)
La technologie du microscope électronique n’est pas basée sur l’utilisation de lentilles : l’échantillon est balayé par des ondes et, en fonction du comportement de celles-ci, un ordinateur est capable de créer une image.
Le MET peut réaliser des grossissements très importants, qui peuvent aller jusqu’à 100 000 fois, c’est-à-dire 1 000 fois plus que les microscopes optiques.
L’avantage de cette technologie est que les scientifiques sont alors capables d’observer l’ultrastructure de la cellule, c’est-à-dire ce qu’elle contient.
Microscope électronique à transmission (MET), ©Cjp24
À retenir
Grâce aux évolutions technologiques, nos connaissances microscopiques se sont améliorées : les cellules, puis leur contenu ont pu être observés, ce qui a permis de mieux comprendre leur fonctionnement.
De puissants microscopes ont mis ainsi en évidence la présence des organites.
Définition
Organite :
Un organite est un compartiment intracellulaire qui assure une fonction précise. On distingue une multitude d’organites, tels que les mitochondries qui assurent la respiration ou les chloroplastes qui assurent la photosynthèse.
Les avancées scientifiques et technologiques ont donc permis de passer de l’échelle macroscopique à celle de l’ultrastructure cellulaire.
L’observation des cellules a permis de mettre en évidence un point commun entre tous les êtres vivants, qu’il s’agisse d’êtres humains, d’animaux, de végétaux ou de micro-organismes : tous sont constitués d’au moins une cellule.
Cette unicité structurale n’est pas liée au hasard : toutes les cellules dérivent d’une cellule ancestrale unique, ce qui valide la théorie de l’évolution.
À retenir
En d’autres termes, l’observation et l’étude des cellules ont permis de constater l’unicité du monde du vivant et d’affirmer que tous les êtres vivants ont ainsi une origine commune.
La structure particulière des membranes cellulaires
Composition lipidique
La membrane plasmique est essentiellement composée d’acides gras, c’est-à-dire des lipides.
Un acide gras est une longue molécule bipolaire : il possède un pôle hydrophile et une queue hydrophobe.
À retenir
En présence d’eau, les acides gras s’associent entre eux pour que leur queue hydrophobe ne soit pas en contact avec l’eau.
Une membrane plasmique est formée de deux couches d’acides gras. C’est cette bicouche lipidique qui forme la structure de base de la membrane plasmique d’une cellule.
À retenir
La structure particulière de la membrane plasmique est liée aux propriétés particulières des acides gras qui la composent. Ceux-ci confèrent à la membrane son étanchéité.
Composition protéique
Les protéines sont formées d’une succession d’acides aminés dont l’ordre est codé par l’ADN.
Les protéines s’insèrent entre les lipides de la bicouche.
Elles peuvent s’insérer de différentes façon dans la membrane plasmique : elles peuvent traverser la membrane de part en part et former ainsi des canaux (qui pourront laisser passer des molécules), mais elles peuvent aussi s’insérer dans une partie seulement de la membrane et former des récepteurs (qui pourront fixer par exemple une hormone).
De cette manière, ces protéines vont conférer de nouvelles fonctions aux membranes.
À retenir
La membrane plasmique cellulaire a donc à la fois pour fonction d’isoler la cellule en formant une barrière étanche (acides gras), mais aussi de lui permettre d’interagir avec son milieu extérieur (protéines).
Conclusion :
Grâce à l’amélioration des technologies, les cellules ont pu être caractérisées formellement, car elles ont pu être directement observées. Ainsi, leur existence, qui n’était jusque-là qu’une modélisation, a pu être validée.
La composition moléculaire du vivant est à l’origine de la forme des cellules : ainsi, c’est grâce au comportement particulier des lipides que sont générées les membranes plasmiques.
La membrane plasmique délimite un milieu intérieur qui comporte un grand nombre de compartiments (organites) qui vont assurer des fonctions bien spécifiques.
La théorie cellulaire est d’abord une construction théorique que des observations scientifiques ont permis d’appuyer ensuite.
Au cours du XVIIe siècle, Robert Hooke observe pour la première fois des cellules, mais le concept de cellule comme unité du vivant n’est pas défini. Le terme même de cellule est rapidement oublié.
Les améliorations apportées au microscope et aux techniques d’observation ont permis de faire des progrès considérables dans la connaissance du vivant et de ses constituants élémentaires. Antoni Van Leeuwenhoek conçoit un appareil permettant de distinguer des détails de l’ordre du micromètre.
Deux savants allemands, Matthias Jakob Schleiden, travaillant sur des végétaux, et Theodor Schwann, travaillant sur des tissus animaux, postulent en 1838 que tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Ils affirment que les cellules sont la seule unité de base du vivant. C’est la première théorie cellulaire.
Dans la théorie formulée par Schwann, la naissance des cellules s’effectue par génération spontanée, à partir d’une matière non vivante. Ce n’est que vingt ans plus tard que deux autres savants allemands, Robert Remak, neurologue et embryologiste et Rudolf Virchow, médecin, énoncent la deuxième formulation de la théorie cellulaire. Ils postulent que « toute cellule vient d’une cellule préexistante » (« Omnis cellula e cellula », Virchow, 1858).
La théorie cellulaire a fait l’objet de nombreuses attaques ou réticences, en particulier dans le monde scientifique français. Elle n’est admise que dans le milieu des années 1880 (certains scientifiques français refusent de l’enseigner jusque dans les années 1920).
L’objectif de cette partie est d’étudier l’émergence de la théorie cellulaire en Occident à partir du
xvii
e siècle. La théorie cellulaire établit que la cellule est l’unité de base de structure et de fonction de tous les êtres vivants. L’élaboration de cette théorie s’est faite grâce aux progrès techniques qui ont conduit à la construction d’instruments permettant d’obtenir une image agrandie : d’abord les microscopes optiques, puis plus tard les microscopes électroniques. La notion de cellule fut l’objet de débats au
xviii
e siècle et au
xix
e siècle. À la fin du
xix
e siècle, la théorie cellulaire est admise par la communauté scientifique et elle offre le cadre conceptuel dans lequel se déploient par la suite les différents domaines de la biologie et de la médecine.
I. La cellule : un objet de débat scientifique
• En 1665, Robert Hooke (1635-1703), scientifique anglais, observe au microscope optique les petites alvéoles du liège, qu’il appelle « cellules ». Hooke réalise ainsi la première description de cellules au sein d’un tissu d’un être vivant. En fait, les cellules qu’il décrit sont des cellules déjà mortes. À la même époque, d’autres observations sont réalisées grâce à des microscopes optiques : globules rouges, spermatozoïdes, bactéries, mais l’unité de structure n’est pas établie parmi le vivant.
Première utilisation du terme cellule pour décrire un tissu d’être vivant par Robert Hooke en 1665
(Source : Wikimedia Commons)
Dessin du microscope optique de Hooke (Micrographia, Robert Hooke, 1665)
(Source : Wikimedia Commons)
Dessin de Robert Hooke des premières « cellules » observées au microscope optique dans des morceaux de liège par Robert Hooke (Micrographia, Robert Hooke, 1665).
La source de lumière est une bougie. Le faisceau lumineux est renvoyé vers l’échantillon, qui est observé par un système optique composé de généralement 3 lentilles. Le grossissement obtenu est d’environ 30 fois.
Robert Hooke observe des cavités régulières dans des fragments de liège. Par leur ressemblance avec des petites chambres de moines, il nomme ces structures en latin « cellula », dérivé de cela : chambre. Il s’agit de la première description de l’observation de cellules.
xix
e siècle, plusieurs conceptions s’affrontent pour expliquer la génération de nouveaux tissus. Vers les années 1830, grâce à ses études en microscopique optique de différents tissus végétaux, le scientifique écossais Robert Brown (1773-1858) décrit un nouvel organite présent dans chaque cellule : le noyau. Puis le scientifique allemand Théodore Schwann (1810-1882) réalise de nombreuses études microscopiques du vivant et établit la correspondance entre les cellules animales et végétales. Vers 1838, Schwann énonce le premier la théorie cellulaire : tous les tissus, animaux et végétaux, sont constitués de cellules caractérisées par la présence d’un noyau. Ainsi, un peu avant le milieu du
xix
e siècle, la cellule commence à être considérée comme l’unité structurelle et fonctionnelle du vivant et les propriétés des tissus apparaissent comme résultant des caractéristiques des cellules les constituant. Cependant, cette théorie cellulaire n’est pas acceptée par tous, à l’instar du positiviste français, Auguste Comte (1798-1857) qui la rejette. Mais vers 1855, plusieurs travaux montrent que les tissus se régénèrent par division des cellules. Ces avancées conduisent à une acceptation définitive de la théorie cellulaire : la cellule est l’unité structurelle et fonctionnelle de tous les êtres vivants et toute nouvelle cellule se forme à partir d’une cellule préexistante par division cellulaire.
Exercice n°1
• Pendant longtemps, la théorie fibrillaire, qui propose que la fibre, par exemple les fibres musculaires, soit l’élément constitutif du vivant, connaît un réel succès parmi les savants et la théorie cellulaire ne s’impose pas rapidement. Certains scientifiques, comme le médecin français Marie François Xavier Bichat (1771-1802), ne reconnaissent pas l’importance de l’apport de la microscopie dans la compréhension du vivant. Au cours dusiècle, plusieurs conceptions s’affrontent pour expliquer la génération de nouveaux tissus. Vers les années 1830, grâce à ses études en microscopique optique de différents tissus végétaux, le scientifique écossais Robert Brown (1773-1858) décrit un nouvel organite présent dans chaque cellule : le noyau. Puis le scientifique allemand Théodore Schwann (1810-1882) réalise de nombreuses études microscopiques du vivant et établit la correspondance entre les cellules animales et végétales. Vers 1838,. Ainsi, un peu avant le milieu dusiècle, la cellule commence à être considérée comme l’unité structurelle et fonctionnelle du vivant et les propriétés des tissus apparaissent comme résultant des caractéristiques des cellules les constituant. Cependant, cette théorie cellulaire n’est pas acceptée par tous, à l’instar du positiviste français, Auguste Comte (1798-1857) qui la rejette. Mais vers 1855,. Ces avancées conduisent à une
II. Le modèle cellulaire
• Ainsi, la découverte de l’unité cellulaire est liée à l’invention du microscope optique. Cette unité cellulaire est observée pour tous les êtres vivants : animaux, végétaux, mais aussi les champignons et les bactéries. La cellule est un espace délimité au minimum par une membrane plasmique. Il s’agit d’un système constitué de molécules et qui est capable de métabolismes, de croissance et de multiplication. La cellule contient l’information génétique présente sous forme d’
ADN
(acide désoxyribonucléique). Chez les cellules eucaryotes, comme celles d’animaux, de végétaux et de champignons, la cellule contient des organites dont le noyau abrite l’
ADN
. Les cellules procaryotes, comme les bactéries, les organites sont absents et l’
ADN
est directement présent dans le cytoplasme.
• L’essor de la microscopie électronique à partir des années 1960 a permis d’explorer l’intérieur de la cellule avec une résolution accrue. Les différents organites présents dans les cellules eucaryotes ont pu être décrits en détail, ce qui a permis le début de la compréhension des fonctions cellulaires, en liaison avec le développement de la biochimie, de la génétique et de la biologie moléculaire. Ainsi se construit peu à peu la compréhension du lien entre l’échelle moléculaire et l’échelle cellulaire, c’est-à-dire que les mécanismes moléculaires du fonctionnement cellulaire sont progressivement décryptés.
Comparaison microscopie optique et microscopie électronique
Microscope
Caractéristiques
Microscopie optique (photonique)
Microscopie électronique à transmission
Description
Date d’invention
Vers 1600
1931
Milieu de transmission
Air
Vide
Faisceau émis
Lumière (photons)
Électrons
Lentilles
Optiques (en verre)
Électromagnétiques
Contraste
Absorption différentielle de la lumière
Dispersion des électrons
Échantillon
Assez fin, vivant ou non
Très fins, mort
Résolution maximale
0,2 μm (2.10−7 m)
0,5 nm (2.10−10 m)
Grossissement maximal
2 000
5 000 000
La cellule : unité de structure et de fonction du vivant
Comparaison cellule animale et cellule végétale
Comparaison cellule animale et cellule végétale Cellule
Cellule animale
Cellule végétale
Étude
Observation en microscopie optique
© National Cancer Institute
© NNehring/iStock
Schématisation
De l’organisme à l’atome : échelle d’ordres de grandeur
Exercice n°2
Exercice n°3
III. La membrane plasmique : limite entre intérieur et extérieur de la cellule
• La membrane plasmique est une membrane d’environ 7,5 nm d’épaisseur délimitant l’intérieur de la cellule, c’est-à-dire le cytoplasme, de l’extérieur de la cellule ou milieu extracellulaire.
• Les études effectuées en microscopie électronique, combinées à d’autres études notamment en biochimie, ont permis d’établir un modèle de la membrane plasmique. La membrane plasmique des cellules est constituée de 2 feuillets sombres épais chacun de 2 nm d’épaisseur et séparés par un feuillet plus clair épais de 3,5 nm. La membrane plasmique est formée d’une double couche de lipides, appelée bicouche lipidique. Chaque couche lipidique, qui correspond à un feuillet sombre, est constituée de phospholipides. Les phospholipides sont des molécules organiques composées d’un groupement contenant un atome de phosphore (groupement hydrophile, ayant de l’affinité pour l’eau) et d’une partie lipidique (partie lipophile, ayant de l’affinité pour les lipides, c’est-à-dire hydrophobe). Ainsi, le feuillet externe de la membrane plasmique est constitué d’une couche de phospholipides dont la partie hydrophile est orientée vers le milieu extracellulaire tandis que la partie lipophile est orientée vers l’intérieur de la membrane. Le feuillet interne de la membrane plasmique est composé de l’autre couche lipidique, dont la partie lipophile est orientée vers l’intérieur de la membrane et de la partie hydrophile située vers le milieu intracellulaire. Le feuillet clair au milieu de la bicouche lipidique correspond à l’espace entre les deux parties hydrophobes de chaque couche de phospholipides.
- des molécules de cholestérol ;
- des protéines soit transmembranaires, soit ancrées à des phospholipides du feuillet externe ou interne.
• En plus des phospholipides constituant la bicouche lipidique, d’autres molécules sont présentes dans la membrane plasmique :
• Enfin, des groupements glucidiques sont également associés à des phospholipides et aux protéines, notamment au niveau du feuillet externe.
• La membrane plasmique ne constitue pas une structure figée, mais elle forme un milieu fluide où les lipides et les protéines peuvent migrer latéralement. Les fonctions de la membrane plasmique sont essentielles pour la cellule : en plus de son rôle structurel, la membrane plasmique est le lieu des échanges de matière et d’information entre la cellule et le milieu extérieur.
La membrane plasmique : limite entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire
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