1. La cellule, unité du vivant

fiche Qu'est-ce qu'une cellule ?

Un être vivant c'est une forme vivante.

Un être vivant c'est d'abord une forme, perçue habituellement par le sens le plus développé chez l'homme: la vision. Cette forme peut être décrite géométriquement. La géométrie est une branche des mathématiques qui étudie les formes dans l'espace; c'est-à-dire qu'elle s'intéresse à l'espace de tout un chacun (à trois dimensions) mais sans s'intéresser au temps qui forme la quatrième dimension de notre espace de vie. Il faut donc, en plus de la géométrie une cinématique qui est la science des corps en mouvement (des corps qui changent de coordonnées dans l'espace au cours du temps). Enfin, comme les formes se déforment avec le temps, il faut une dynamique qui décrive ces transformations au cours du temps.

Remarque: la notion de forme, notamment en biologie, a été particulièrement développée par un mathématicien académicien, René Thom, récemment décédé. Ses outils qui continuent d'être développés en France pourraient s'avérer être essentiels. Voir un aperçu dans une page annexe.  

(cette affirmation recouvre plus ou moins la théorie cellulaire;
voir fiche : Qu'est-ce qu'une cellule ? et paragraphe 1.1.3 ci-dessous)

Les biologistes ont l'habitude de décrire les formes en termes de structures et les dynamiques et mouvements en termes de fonctions. Mais ces termes recouvrent des notions qui n'ont cessé de s'appauvrir au fil des siècles (et qui ne parlent plus aux élèves) au point qu'il apparaît urgent de les définir le plus précisément possible avec l'outil intellectuel le plus performant et universel qui soit (neutre éthiquement de plus): les mathématiques.

Une analogie : la cellule est l'unité de structure du vivant .... comme le "cube" de béton est celui des ces bâtiments.

Une analogie entre les fonctions du vivant
et la fonction de rotation de tous ces objets
(qui n'est pas forcément leur fonction principale)

1.1 . La cellule est une unité de structure

Parfois il est préférable d'utiliser le terme de forme au sens courant de volume dans l'espace usuel à 3 dimensions plutôt que de structure mais dans ce cas il est clair que c'est une forme statique (sans le temps) que l'on s'efforce de décrire.

1.1.1 - Les formes vivantes les plus simples sont les unicellulaires mais elles vivent rarement isolées

1.1.1.1 - Les plus petites formes vivantes sont des bactéries, unicellulaires procaryotes, qui forment des groupes d'un grand nombre d'individus

Un schéma simplifié de l'ultrastructure* d'un unicellulaire procaryote

 

* l'ultrastructure est la structure visible au microscope électronique (MET); il est important de savoir que les structures mises en évidence ici sont dues à la coloration au tétroxyde d'osmium et sont vues sur un organisme mort (voir TP1 et par exemple le film CNRS sur le site CanalU à ouvrir dans RealPlayer: http://media. cines.fr:80/ ramgen/3517/ real/ canalu/science/ 178009/ 178009-0.rm) : ce ne sont pas des formes que l'on peut voir à l'œil nu ni au microscope optique.

Un schéma plus complet en vue d'une classe de 1èreS

1.1.1.2 - Les unicellulaires eucaryotes restent de taille modeste (micro-organismes) mais peuvent former de colonies de grande taille (quelques dizaines de centimètres)

* l'ultrastructure est la structure visible au microscope électronique (MET); il est important de savoir que les structures mises en évidence ici sont dues à la coloration au tétroxyde d'osmium et sont vues sur un organisme mort (voir TP et par exemple le film CNRS sur le site CanalU à ouvrir dans RealPlayer: http://media.cines.fr: 80/ramgen/ 3517/real/ canalu/science/ 178009/178009-0.rm ): ce ne sont pas des formes que l'on peut voir à l'œil nu ni au microscope optique.

Un schéma plus complet en vue d'une classe de 1èreS

TP

Pour des vidéos en microscopie optique (MO) sans coloration, de bactéries vivantes de l'eau croupie et pour celles de petits eucaryotes unicellulaires (pour lesquels on peut parfois distinguer de nombreux organites: ciliés, amibes... ) et pluricellulaires (vers nématodes, rotifères), je recommande le site CED : Canal Educatif à la Demande: http://canal -educatif.fr/ rushs/002.html

1.1.2 - Les formes vivantes complexes de grande taille sont composées de cellules de type eucaryote: ce sont les pluricellulaires

1.1.3 Tous les êtres vivants sont composés de cellules et uniquement de cellules: c'est la théorie cellulaire

Les historiens des sciences affirment que l'on a faussement attribué, pour des raisons sociologiques (?), à T. S. Schwann (1839), un zoologiste, le premier énoncé de la théorie cellulaire: « il existe un principe général pour la production de tous les corps organiques, et que ce principe est la formation de cellules, aussi bien que les conclusions qu'on peut tirer de cette proposition, peut être compris sous le terme de théorie cellulaire». Cet énoncé fait suite à une correspondance avec botaniste contemporain M. J. Schleiden que l'histoire a donc associé à Schwann. Il n'est pas rare maintenant que les historiens précisent que ces auteurs présentaient la formation des cellules comme le résultat d'un processus de précipitation et de cristallisation (http://www.pasteur.fr/recherche/unites/REG/causeries/dates_1800.html).

Il semblerait donc que l'on doive en fait au botaniste Charles Joseph Dumortier (1832) la première formulation de la théorie cellulaire telle que l'on l'envisage de nos jours ("toute cellule est issue d'une autre cellule par division binaire"). Il proposa cette généralisation à partir de nombreuses observations de divisions chez les algues et les plantes.
En 1852 le polonais Robert Remack (souvent orthographié Remak, http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/298/5602/2331) retrouve ces idées à partir d'observations expérimentales dans l'embryon de poulet et chez le têtard. C'est un neurologiste si l'on se réfère à nombre de ses travaux même si ses centres d'intérêt furent nettement plus variés (par exemple il est cité aussi comme celui qui identifia trois feuillets embryonnaires chez les animaux).

Virchow (ou Virchou, 1858) a réalisé un grand effort de clarification des idées erronées venant des chimistes et est connu pour son axiome qui reprend les idées de Remack: Omnis cellula e cellula (toute cellule est issue d'une autre cellule).

MAIS...

La cellule n'est pas un niveau satisfaisant pour étudier les formes des organismes pluricellulaires de grande taille (la forme d'une plante, d'un organe...) :

Le niveau supérieur d'organisation est le tissu qui fait référence à l'ancienne théorie fibrillaire, aujourd'hui abandonnée au profit de la théorie cellulaire (voir par exemple Canguilhem sur la théorie cellulaire). Mais il est nécessaire, si l'on veut comprendre la genèse des formes (la morphogenèse) des êtres vivants de considérer les fibres (files de cellules ou cellules fusionnées ou cellules allongées ou encore molécules fibreuses de très grande taille comme la cellulose, le collagène ou la kératine...).

Cette question ne sera qu'évoquée dans le programme de 1èreS (voir les niveaux d'organisation du vivant); je travaille à une refonte complète du cours pour reconsidérer cette question.

Pour les apprentis scientifiques les plus curieux, je conseille de lire un petit livre sympathique (plein d'humour) écrit par un physicien et très accessible à des lycéens: Des pieds et des mains ; Genèse des formes de la nature, Vincent Fleury, Flammarion, col. Champs, 2003 . Vous y apprendrez comment, avec quelques notions de physique, la forme des êtres vivants est une question simple et finalement pas si mystérieuse que cela.

fiche Qu'est-ce que la vie ?

La vie de la cellule est un travail de relation, de nutrition et de reproduction

On nomme ces caractéristiques des grandes fonctions ou des fonctions globales, c'est-à-dire des fonctions non locales (ou non localisables) car elles ne peuvent être situées dans tel ou tel organe, mais mettent en jeu d'innombrables parties agissant ensemble. Je propose de parler de travail. Toute partie de l'être vivant (molécule, cellule, organe...) participe à ce travail, c'est sa fonction participative. Cette fonction participative, biologique, conceptuelle, s'ajoute à une fonction propre, locale, qui peut être explorée chimiquement (expérimentalement).

Si le terme de fonction en biologie est familier aux enseignants il ne l'est pas (plus) aux élèves. Une fonction en mathématiques c'est une relation (y = f(x)) représentée par une courbe dans un plan; l'ordonnée étant la valeur de la fonction (y) et l'abscisse (x), étant la variable. Parler de "fonction du vivant" (ou de "fonctionnement") pour désigner la respiration, la circulation ou une réaction chimique dans une cellule est une image mathématique utilisée depuis très longtemps (peut-être même d'abord utilisée en biologie avant son utilisation en mathématiques - voir René Thom, Analyse sémantique d'un mot polysémique : la fonction, , 1993, Séminaires de la Société de Biologie Théorique, année 1992-1993, Acta Biotheoretica, 42 ; 1993f5.pdf). Utiliser le terme fonction suppose que l'on puisse représenter graphiquement (sous forme d'une fonction mathématique) le phénomène que l'on étudie. Cela est parfois possible mais échoue toujours lorsque l'on s'intéresse aux caractéristiques mêmes du vivant - ce qui fait qu'un être vivant est vivant est non une machine-.

La vie est un travail

Le travail de nutrition comprend l'ensemble des phénomènes de prise ou de rejet de matière et d'énergie vis-à-vis du milieu extérieur et qui permettent à l'organisme de se maintenir en vie. (alimentation, digestion, respiration, circulation,excrétion ...). Les autotrophes (du grec "auto" = "soi-même" et "trophé"= "nourriture")) se nourrissent seuls sans dépendre d'autres êtres vivants. Les hétérotrophes ou plutôt allotrophes* (du grec "hétéro" = "l'autre, en tant que différent" et du grec "allo"= "l'autre, en tant qu'un autre que moi") consomment d'autres organismes vivants ou morts qui sont les proies.

La vie se construit à partir de la matière qu'elle prend dans le milieu extérieur. L'être vivant renouvelle ses structures et rejette des déchets.
La vie coûte de l'énergie.
Certains êtres vivants se nourrissent aux dépens d'autres.

Le travail de reproduction correspond à la capacité des êtres vivants à se multiplier. La reproduction peut être asexuée (solitaire) ou sexuée (entre deux organismes de sexe opposé).

La vie colonise tous les milieux. Elle se propage sans cesse. La vie se donne.

* allotrophie est parfois employé en écologie pour désigner un commensalisme.

Le travail de relation correspond aux communications entre l'organisme et son milieu (écosystème) ou entre les différentes cellules d'un organisme.

La vie est sociale. La vie est coordonnée. La vie est altruiste.

Le métabolisme (du grec métabolé = changement) désigne l'ensemble des mouvements du vivant. Le métabolisme c'est la dynamique de la vie.
Pour les biochimistes, qui étudient le vivant avec les outils et les concepts de la chimie, la vie est un ensemble de réactions chimiques. Le métabolisme désigne alors les synthèses ou les dégradations de molécules chimiques qui ont lieu dans une cellule. Le synthèses forment l'anabolisme, et les dégradations forment le catabolisme.
Pour un biologiste il est préférable de relier le métabolisme aux fonctions globales du vivant et dire qu'il existe un métabolisme de relation, un métabolisme de nutrition et un métabolisme de reproduction.

L'activité cellulaire (le fonctionnement de la cellule) ce sont des mouvements (des échanges et des transformations):

extrait de l'ouvrage consultable sur Gallica-BNF, tome 1 (partie 1), p 5, 12ème édition de Systema Naturae, 1766