Voir aussi : Théorie cellulaire – Cellules spécialisées – Physiologie cellulaire – Membranes phospholipidiques
La cellule fonde l’unité structurale des organismes vivants
Tous les êtres vivants sont formés de cellules, qu’ils soient Procaryotes ou Eucaryotes (animaux ou végétaux). La cellule est une unité structurelle fondamentale qui définit la Nature du Vivant. On en déduit que tous les êtres vivants ont une origine commune. Ceci engage la notion d’Évolution depuis des formes très simples et unicellulaires à des formes plus complexes et pluricellulaires. Les virus ne sont pas formés de cellules : ce ne sont pas des êtres vivants.
Les cellules forment un compartiment microscopique entouré d’une membrane phospholipidique et souvent protégé par une paroi supplémentaire. L’espace limité par la membrane cellulaire est le cytoplasme et contient chez les Eucaryotes des organites.
Les tissus des êtres pluricellulaires sont constitués de cellules. Il existe des cellules sans noyau, cas des Procaryotes et des cellules, au moins initialement, avec un noyau chez les Eucaryotes.
Origine des cellules : origine de la Vie
Toutes les êtres vivants actuels ont un ancêtre commun (théorique) appelé LUCA1 (Last Universal Common Ancestor). Ce dernier est déjà le fruit d’une longue évolution biologique de cellules primitives (probablement sur plus d’un milliard d’années) dont sa population est la « seule survivante », les autres lignées biologiques s’étant éteintes. Son origine est situé vers 4 ou 3,5 Ga. Cette population cellulaire « théorique » rassemble des caractéristiques communes à tous les êtres vivants actuels et on distingue trois lignées qui sont formées de cellules sans noyaux individuel ou procaryotiques (paraphylétique) en deux ensembles clairement distincts avec les Bactéries (ou Eubactéries) et les Archées (ou Archéobactéries) ainsi que des cellules avec un seul, plusieurs ou originellement, des noyaux individualisés ou eucaryotiques qui forment l’ensemble unifié des Eucaryotes. Si les premières lignées peuvent former des colonies de cellules coopératives, parfois faiblement spécialisées, seuls les Eucaryotes développent des organismes pluricellulaires avec des cellules parfois hautement spécialisées, mais ils peuvent être tout aussi bien unicellulaires ou formés de colonies de cellules. Dans divers cas on observe chez les Eucaryotes des coopérations coloniales ou des organisation sociales avec même une spécialisation morphologique ou comportementale des individus qui dépendent les uns des autres. Des coopérations interspécifiques existent aussi dans le cas de symbioses par exemple, parfois selon des lignées très éloignées comme le cas de plantes et d’animaux.
On envisage désormais, au regard de nouvelles connaissances, que des lignées éloignées ont pu se recombiner dans le cadre des coopérations durables, devenues indissociables, ce qui forme un nouveau type d’être vivant. Ainsi on envisage que c’est par une coopération entre des procaryotes et des complexes génétiques que sont nés les Eucaryotes (Théorie endosymbiotique où par exemple les mitochondries et les chloroplastes sont regardés comme des structures procaryotiques). La coopération durable et désormais indissociable (symbiose permanente et vitale), de Végétaux avec des Champignons forme l’ensemble des Lichens, rangés traditionnellement dans les Champignons (ou Fonge).
Exploration des cellules au microscope
Cellules de l’écorce du Chêne liège
Comme vous pouvez le voir sur la page concernant la Théorie cellulaire (définie en 1839 et 1851), les premières utilisations d’appareils optiques grossissant, permettant d’observer « l’infinimement petit » débutent à la charnière des XVIème et XVIIème siècles. Alors que le terme Microscope est forgé en 1656, les premières descriptions de cellules sont faites par Robert Hooke (1635-1703) et sont publiées en 1665. Dès lors l’exploration des cellules sera continue et régulière… et la Théorie cellulaire unifie la compréhension microscopique du monde végétal avec Mathias Schleiden (1804-1881) et le monde animal avec Theodor Schwann (1810-1882) en 1839 : Tout être vivant est composé de cellules ou de produits de cellules, ce qui est complété par Rudolf Virchow (1821-1902) en 1857 : Là où une cellule apparaît, il y a une cellule pré-existante. Cette axiome, devance dans l’esprit, la réfutation en 1865, faite de manière démonstrative par Louis Pasteur (1822-1895) de la Théorie de la génération spontanée qui tenait depuis Aristote (384-322 BC).
| MO = Microscope optique : il s’agit du microscope de laboratoire, celui que nous utilisons en classe. Il présente des variantes comme le microscope polarisant où des filtres polarisants analysent la lumière. Ce dernier est régulièrement utilisé en Géologie pour l’étude des Roches et des Minéraux. Grossissement maximal efficace x 500, mais quelques appareils grossissent plus de 1000 x (dimensions du micromètre µm = 10-6). Certains MO récents de haute résolution permettent de séparer des objets de 20 nm. |
| (ME…) = Microscope électronique (grossissement possible de plusieurs centaines de milliers de fois : dimensions du nanomètre ou nm = 10-9 m). Il en existe deux types principaux : MET = Microscope électronique à transmission où les électrons traverses la matière observée (image en deux dimensions). MEB = Microscope électronique à balayage où les électrons sont réfléchis sur une surface (ceci donne une sensation d’image en relief). |
Comparaison entre les cellules animales et les cellules végétales
Spécialisation des cellules chez les Métazoaires et les Métaphytes
Les organismes formés de plusieurs cellules présentent des cellules spécialisées. Chaque ensemble de cellules ou tissu a une fonction particulière et les cellules sont adaptées à leur fonction.
Par exemple l’étude des cellules de la peau permet de rendre compte de la spécialisation cellulaire.
Les cellules échangent de la matière et de l’énergie avec leur environnement
Ainsi dans l’exemple de la photosynthèse, de la matière entre dans la cellule (CO2 et H2O) et sous l’action d’enzymes et de la chlorophylle utilisant de l’énergie solaire produit du glucose et de l’O2 (déchet rejeté dans l’environnement). C’est ici l’occasion de constater que le dioxygène présent pour 1/5ème dans la composition de notre atmosphère trouve son origine dans cette réaction de l’anabolisme. La photosynthèse est réalisée dans de petites structures particulières dans la cellule ou organites riches en chlorophylle, nommées chloroplastes.
L’Euglène est une sorte de mélange entre animal (se déplace et se nourrit) et végétal (réalise la photosynthèse). Les cellules végétales classiques ne se déplacent pas et présentent de plus une paroi cellulaire supplémentaire (voir schéma en haut de page ou photo ci-dessous). Certains Euglènes mutants qui ne produit pas de chlorophylle et n’a pas de chloroplaste dans une paragraphe précédent. Sa structure est proche de celle des cellules animales. Les cellules animales n’ont pas de chloroplastes et ne possèdent pas de paroi.
Le patrimoine génétique des cellules animales et des cellules végétales est dans les deux cas inclus sous forme d’ADN protégé dans le noyau. De telles cellules possédant un noyau appartiennent au groupe des Eucaryotes et on en déduit une certaine parenté entre le monde végétal et animal.
Les bactéries ne possèdent pas de noyau, ce sont des Procaryotes. Néanmoins elles possèdent l’ADN nécessaire à la direction de leur structure et de leur fonctionnement sous une forme circulaire directement dans le cytoplasme. Elles sont nettement plus petites que les Eucaryotes. Leur structure plus simple ressemble à celle de certains organites comme les chloroplastes ou les mitochondries. Ce type de structure plus primitive se trouve plus proche des origines de la Vie dans le cadre de l’évolution du vivant.
On trouve chez les Eucaryotes des organites comme les chloroplastes qui sont le résultat d’un savant agencement de molécules actives. Ceux-ci baignent dans le « cytoplasme] » (s.l.) qui entourés de la membrane cellulaire forme la cellule. Les cellules s’agencent par groupes spécifiques, les tissus qui forment nos organes comme le cœur ou le foie, l’ensemble des organes constituant un individu ou organisme. Les organismes les plus simples ne sont constitués que d’une seule cellule, et parmi eux les Procaryotes sont encore plus primitifs dans l’histoire de la Vie. Les êtres vivants plus complexes sont pluricellulaires comme l’Homme qui est formé de milliards de cellules.
Au sein d’une certaine diversité (Procaryotes, Eucaryotes végétaux ou animaux), tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Les cellules eucaryotiques contiennent des organites aux fonctions spécifiques et dont certains ressemblent à des cellules procaryotiques. De cet ensemble se dégage une parenté commune aux êtres vivants, avec des formes plus simples ou primitives et des formes plus complexes engageant la notion d’évolution de génération en génération au cours de l’histoire de la Vie.
Conclusion : définition de la notion de Cellule
Tous les êtres vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules : la cellule est l’unité élémentaire de constitution des êtres vivants.
Les cellules se caractérisent par leur constitution formée : (1) d’une membrane plasmique entourant le (2) cytoplasme contenant (3) de l’information génétique sous forme d’ADN.
On trouve deux grands types de cellules : les cellules sans noyau, ni autre organite qui forment les Procaryotes et des cellules avec des organites, notamment un noyau qui forment les Eucaryotes.
Chez les Procaryotes, aux trois éléments constitutifs fondamentaux (membrane, cytoplasme, ADN) s’ajoute une paroi dite « bactérienne ». Certaines d’entre-elles possèdent en outre des flagelles ou des cils (pilli), permettant leur déplacement actif. Ce sont des cellules de petite taille (0,1 µm à quelques µm). Ce sont toujours des unicellulaires, parfois coloniaux : les Bactéries et les Archées sont des Procaryotes.
Les Eucaryotes sont des unicellulaires (Protistes), des Animaux, des Végétaux ou des Champignons (Fonge). Elles présentent un noyau et des mitochondries. Ce sont des cellules plus grandes allant régulièrement jusqu’à quelques dizaines de µm. Les Eucaryotes son unicellulaires ou pluricellulaires.
Les Végétaux se distinguent par la présence régulière, mais non obligatoire de chloroplastes (cellules chlorophylliennes ou non), l’existence d’une vacuole et d’une paroi pecto-cellulosique. Les cellules végétales sont généralement plus grandes que les cellules animales.
A gauche : en haut : cellules animale, en bas cellule végétale
La cellule ancestrale (ou population de cellules) d’origine est désignée sous le terme de LUCA (Last Universal Common Ancestor, c’est à dire le Dernier Ancêtre Commun Universel en français ou DACU). Cette « cellule » est certainement le fruit d’une longue évolution où se sont essayés les prémisses de la Vie de manière radiative.
La notion de Cellule a été établie après de longues et diverses observations dès l’invention du microscope vers 1590. La Théorie cellulaire a été établie en deux étapes principales en 1838 et 1851 par Jakob Schleiden (1804-1881) et Theodor Schwann (1810-1882), terminée par Rudolf Virchow (1821-1902). De nouveaux ajustements ont été apportés par l’amélioration des connaissance du génome et plus récemment par l’étude de la biologie et de la physiologie originale de certains êtres vivants aux compétences novatrices.
Notes
- LUCA correspond en français à DACU : Dernier Ancêtre Commun Universel, mais c’est la version LUCA qui est préférée. La version DACU est rarement utilisée ! On situe LUCA vers 3 Ga. Ce terme a été forgé en 1996 lors d’un colloque international qui s’est déroulé en France. Il s’agit d’un clin d’œil à Lucy, réputé comme la mère de l’humanité. Il ne s’agit pas du plus ancien être vivant, mais du plus ancien organisme ancestral commun à tous les êtres vivants actuels. LUCA possèdait de l’ARN, trois types de molécules d’ARN et 34 protéines fondamentales qui sont présentes dans tous les ribosomes actuels. En effet vu la complexité de ces molécules, ce n’est qu’après une longue période évolutive que LUCA s’est formé suite à une évolution prébiologique et biologique primordiale. LUCA formait déjà une population de cellules similaires à l’origine du monde vivant actuel. Les ribosomes actuels possèdent près de deux fois plus de types de protéines et et l’information génétique est désormais portée par de l’ADN. On pense que LUCA ne possédait que de l’ARN et que l’ADN et ses mécanismes de réplication sont apparus plus tard et probablement par deux fois indépendamment (peut-être sous l’influence de Virus). On a d’abord pensé que LUCA était un être vivant hyperthermophile (vivant à de très hautes températures comme les sources chaudes), mais ce n’est probablement pas le cas. Par contre les ancêtres des Bactéries et celui des Archées étaient probablement quant à eux hyperthermophiles et se sont alors progressivement adaptés à des températures de moins en moins élevées. – Forterre P. 2017 – Luca, un cellule, un monde et nous. – CNRS Le Journal, 14 septembre 2017. – ONLINE ↩︎
