Niveaux d’organisation du vivant

Les échelles du vivant

L’objectif de ce cours est de revoir les différentes échelles c’est-à-dire les niveaux d’observation afin de comprendre l’ordre de grandeur de tout ce qui caractérise les êtres vivants (atomes, cellules, molécules, etc.).

On peut travailler sur le corps humain en voyant les différents niveaux auxquels on peut observer ses constituants :

 

I. Les atomes

Le zoom le plus important est le niveau des atomes (ou éléments chimiques). L’être humain est un mélange de matière minérale (eau par exemple) et de matière organique. Il est donc constitué d’éléments chimiques (carbone C, Hydrogène H, oxygène O, azote N, calcium Ca, etc.)

La taille d’un atome est d’environ 10-10 m soit 0,1 nm (ou encore 1 ångström noté Å).

 

II. Les molécules

Les atomes sont assemblés pour former une molécule. Une molécule est donc formée d’1, 2, 3 et parfois plusieurs dizaines ou centaines d’atomes. Exemple : le glucose C6H12O6.

La taille moyenne d’une molécule est de l’ordre de 10-9 m soit 1 nm.

A cette échelle, les molécules peuvent être observées au microscope électronique (très puissant). Ce sont les plus petits éléments que l’on peut observer en microscopie, en effet, les atomes sont trop petits pour être observés, on les représente donc de façon schématique.

 

III. Les cellules

Troisième niveau d’observation : les cellules, qui peuvent être observées au microscope optique. Les cellules sont le premier niveau caractéristique des êtres vivants, en effet, la matière inerte comporte aussi des atomes et des molécules.

Elles peuvent être séparées en deux groupes :

– les procaryotes (bactérie) d’ordre de grandeur 10-6 m soit 1 μm.

– les eucaryotes comportant un noyau et des organites à l’intérieur de la cellule. Exemple : la cellule végétale. Elles font en moyenne 5.10-5 m soit 50 μm.  A l’intérieur, les organites ont une taille comparable à celle d’une bactérie, de l’ordre de 1 à 10 μm.

Pour certains organismes, la cellule correspond à l’être vivant en entier, ce sont les êtres vivants unicellulaires comme les bactéries. Mais concernant l’organisme humain, les cellules ne vivent pas toutes seules, elles sont regroupés au sein des tissus.

 

IV. Les tissus

Les tissus sont des associations de cellules (exemple : paroi de l’intestin) d’ordre de grandeur 10-3 m soit 1 mm. Ils sont donc pluricellulaires.

 

V. Les organes

Les tissus sont regroupés pour former des organes, unités visibles à l’oeil nu. Ces tissus collaborent dans la réalisation d’une fonction (exemple : l’intestin est un organe composés de différents tissus).

Les organes mesurent entre 10-2 à 10-1 m soit entre 1 cm jusqu’à quelques dizaine de centimètres.

 

VI. Les appareils

Les organes peuvent être regroupées dans les appareils ou systèmes. C’est un ensemble d’organes dont le fonctionnement est coordonné (exemple : le système digestif). Leur ordre de grandeur entre 10-1 à 1 m. Un appareil peut mesurer quelques dizaines de centimètres à 1 m voir un peu plus car la longueur totale du système digestif dépasse 1 m.

 

VII. L’organisme

Enfin, tous les appareils d’un individu forment l’organisme. Ils fonctionnent de façon complémentaire (système digestif, système nerveux, système reproducteur) et permettent à l’organisme de se nourrir, de se reproduire ou de communiquer avec son environnement.

Chez l’humain, on est entre 1 et plusieurs mètres. Les tailles peuvent être différentes si on change d’organismes, la taille complète peut être inférieure à 1 m.

Unité et diversité cellulaire des êtres vivants

Une cellule se définit par la présence d’une une membrane cytoplasmique qui délimite la cellule (c’est sa barrière), à l’intérieur il y a un cytoplasme et dans celui-ci on trouve du matériel génétique (ADN).

Il y a différents types de cellules, elles ont des points communs mais aussi des particularités. C’est pour cela que l’on parle d’unité cellulaire (tous les êtres vivants sont constitués d’une ou de plusieurs cellules) mais aussi de diversité (en fonction de leur famille, les cellules changent d’aspect et de contenu).

 

I. Cellule procaryote

 

Elles n’ont pas de noyau ni d’organites. Par exemple, les bactéries. Elles sont délimitées par une paroi relativement épaisse à l’intérieur de laquelle on trouve la membrane cytoplasmique avec à l’intérieur le cytoplasme et le matériel génétique libre (flottant en quelque sorte). Les bactéries sont de petite taille, elles mesurent environ 1 µm de diamètre.

 

 

II. Cellule eucaryote

 

On appelle cellule eucaryote, une cellule qui possède un noyau et des organites dans son cytoplasme.

 

A. La famille des champignons

Par exemple, les levures. Les cellules sont délimitées par une paroi, une membrane cytoplasmique, du cytoplasme avec un noyau dans lequel on trouve l’ADN et des organites (petites structures, délimitées elles-aussi par une membrane, qui permettent à la cellule de fonctionner). Ces organites peuvent avoir différentes tailles et formes, différents aspects et donc différentes fonctions quand la cellule est vivante. Une levure est une cellule de petite taille : elle mesure environ 5 à 10 µm de diamètre.

 

 

B. La famille des végétaux

Ce sont les plus grandes cellules (entre 60 à 100 µm de diamètre). Elles ont une paroi, une membrane cytoplasmique et un cytoplasme, un noyau et des organites. L’organite principal des cellules végétales est le chloroplaste qui donne la couleur verte aux végétaux et leur donne la capacité à réaliser la photosynthèse (absorber l’énergie solaire et produire de la matière organique).

 

 

C. La famille des animaux

Les cellules animales sont délimitées par une membrane cytoplasmique, elle contiennent un cytoplasme, un noyau et des organites. C’est la seule à ne pas avoir de paroi externe. Elle est, en moyenne, un petit peu plus petite que la cellule végétale et mesure entre 20 à 50 µm de diamètre.

 

Matière vivante et matière inerte

La Terre est la seule planète du système solaire réunissant toutes les caractéristiques pour que la vie s’y développe. De ce fait, depuis plus de 3 milliards d’années, des êtres vivants sont apparus sur Terre et se sont construits à partir des éléments chimiques disponibles à la surface de notre planète.

On distingue donc la matière vivante qui constitue les êtres vivants et la matière inerte ou matière non vivante qu’on retrouve dans l’atmosphère, dans les roches de la lithosphère et dans les milieux liquides principalement constitués d’eau. Toute la couche d’eau à la surface de la terre s’appelle l’hydrosphère.

 

I. Proportions en éléments chimiques

 

La matière vivante et la matière inerte sont composés d’éléments chimiques (= atomes) comparables mais dans des proportions variables.

Les six graphiques représentés ci-dessous sont appelés graphiques circulaires ou camembert.

 

 

Ces graphiques représentent quatre êtres vivants : un champignon, une bactérie, une algue et un homme. Les deux autres représentent de la matière inerte : du granite et la planète Terre dans son ensemble.

On constate que dans les six graphiques, l’élément chimique principal est l’oxygène (O).

Dans les êtres vivants, il y a aussi beaucoup de carbone (C), d’hydrogène (H) et d’azote (N). Dans les éléments de la matière inerte on note la présence de beaucoup de silicium (Si), de magnésium (Mg), d’aluminium et de fer.

Ces atomes, qui composent la matière, sont réunis au sein de molécules. Une molécule est un assemblage d’atomes plus ou moin important.

 

II. Composition moléculaire de la matière vivante et de la matière inerte

 

A. Monde inerte

Les molécules constitutives de la matière inerte sont toutes minérales. Elles peuvent être :

– des éléments isolés (atomes isolés) : du fer, du calcium,

– des petites molécules : l’eau (H20 : 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène), le dioxyde de carbone (CO2),

– des minéraux des roches : les silicates (SiO4, les planètes rocheuses comme la Terre sont constituées en grande partie de roches silicatées comme le quartz).

 

B. Monde vivant

Contrairement au monde inerte, dans le monde vivant il y a à la foi des molécules minérales et des molécules organiques.

Les molécules minérales qu’on trouve dans les êtres vivants sont à 80 % des molécules d’eau. On trouve aussi, en petite quantité, des oligoéléments comme le calcium (Ca) ou le phosphore (P) qui constituent par exemple en grande partie les os de notre squelette.

Quant aux molécules organiques, elles regroupent quatre familles principales :

– les glucides (les sucres)

– les lipides (les corps gras ou graisses)

– les protides (les protéines)

– les acides nucléiques (regroupant notamment les molécules d’ADN se trouvant dans le programme génétique de nos cellules).

Les trois fonctions vitales chez un unicellulaire : la paramécie

La paramécie n’est pas strictement au programme, mais c’est l’exemple choisi pour illustrer la notion de fonction vitale. Cet organisme est représenté par un schéma qui est l’observation en microscopie optique à grossissement faible (x 40).

Cet organisme fait d’une seule cellule, d’où le terme unicellulaire, mesure 100 à 300 µm donc c’est un organisme unicellulaire assez conséquent. Il existe d’autres exemples d’organismes unicellulaires comme les levures (observées aisément en microscopie optique), voire beaucoup plus petits comme les bactéries (celles du yaourt s’observent aussi après coloration en microscopie optique).

 

I. Qu’est-ce qu’un être vivant ?

 

Un être vivant, c’est un être capable de réaliser plusieurs fonctions que sont la fonction de nutrition, la fonction de reproduction et la fonction de relation.

 

Fonction de nutrition

Quand on est vivant on est capable d’échanger avec l’environnement et par exemple de s’alimenter. Ainsi, on peut prendre un certain nombre d’éléments nutritifs et, en échange, excréter les déchets d’un métabolisme quelconque. Quand on est vivant, on est également capable de respirer. La respiration est un échange gazeux : on fait entrer des molécules de l’environnement, en l’occurrence le dioxygène (O2) car c’est la molécule utilisée dans le cadre du métabolisme respiratoire, et on produit en échange un déchet, pour la cellule, le dioxyde de carbone (CO2). Enfin, dans la fonction de nutrition, il existe la fonction de circulation (mais ça ne se voit pas chez un organisme unicellulaire : on pense, par exemple, à la circulation sanguine dans le cas des organismes pluricellulaires).

 

Fonction de reproduction

Quand on est vivant, on est capable de se reproduire. C’est une des conditions pour être vivant (ce qui parfois fait hésiter quant à la notion d’être vivant pour les virus car ils n’ont pas d’autonomie de reproduction). Une paramécie est capable de se reproduire. La reproduction c’est produire un nouvel individu génétiquement unique, dans le cas d’une reproduction sexuée. Il existe une reproduction asexuée que la paramécie sait faire et où l’on reproduit à l’identique (clone).

 

Fonction de relation

Être vivant c’est être capable d’être en interaction avec son environnement. Être capable de ressentir les variations de l’environnement et d’y répondre. C’est aussi être capable de communiquer avec d’autres unicellulaires, d’autres paramécies, et d’être sensible aux variations physiques et chimiques de l’environnement.

 

Être vivant, c’est donc répondre à ces trois fonctions : nutrition, reproduction et relation.

 

II. Exemple de la paramécie

 

La paramécie est une cellule facile à cultiver en laboratoire. Historiquement, c’est un des premiers organismes observés en microscopie optique dans les infusoires. Pour fabriquer des paramécies, il faut trouver des eaux douces stagnantes et on a, en surface, un biofilm avec beaucoup de paramécies qui mangent plein de bactéries.

Ces petits organismes sont parfois un peu compliqué à observer parce que les paramécies bougent. On retrouve ainsi une des trois fonctions du vivant qui est la fonction de relation : elles sont en mouvement. Elles le sont grâce à de petits cils qui vibrent et vont leur permettre de se déplacer. Parfois, elles vont changer brusquement d’orientation, on va alors observer une activation de ces cils caudaux (comme une queue) qui orientent cet organisme fait d’une seule cellule. Elles bougent et se déforment. La paramécie se déforme grâce à des petites structures dans sa membrane plasmique et qui ne sont donnés qu’à titre informatif (les trichocystes). Elle peut les dévaginer lorsqu’elle a besoin de se défendre. On a donc plusieurs exemples de fonction de relation.

Une paramécie est capable de manger. On est dans la fonction de nutrition, et plus particulièrement d’alimentation. Comment mange-t-elle ? Il y a une sorte d’invagination, on parle de bouche ou de vestibule, avec à son ouverture des cils oraux qui lui permettent d’acheminer des bactéries qui se trouvent sur son passage. Elles sont ensuite digérées progressivement au niveau d’un estomac. Il faut retenir qu’une paramécie mange et qu’il y a une structure à l’intérieur de la cellule adaptée à cette fonction de nutrition.

La paramécie vit dans un milieu d’eau douce donc la concentration en éléments dans ce milieu-là est plus faible qu’à l’intérieur de la paramécie. Elle a tendance à se remplir d’eau, on appelle cela : l’osmose. Pour éviter qu’elle éclate, sans finalisme, elle est pourvue d’organites qu’on appelle des vacuoles. Elles ont la capacité de se contracter pour rejeter l’eau et permettre à cette cellule d’être en équilibre avec son environnement.

Pour terminer, cette paramécie a aussi une fonction de reproduction. Elle est assez originale d’un point de vue nucléaire (= noyau) : elle est dotée d’un gros noyau appelé macronucléus. Il gère les fonctions vitales et code pour les gènes des fonctions de relation et de nutrition. Il y a aussi un petit noyau appelé micronucléus qui intervient dans l’échange génétique et la reproduction sexuée.