Biologie intermédiaire 2 : la vie 2

I.2  Hiérarchie structurale et écosystème.

I.2.1 L'organisation biologique des organisme et sa hiérarchie

Commençons par la biosphère, traditionnellement nous considérons qu'elle constitue l'espace ou tous les organismes vivent en majorité leur vie .Imaginons que nous soyons dans l'espace et que nous zoomons sur une portion de forêt, par exemple la forêt ardennaise belge, celle-ci nous apparaît en une couleur verte due à la présence moléculaire de chlorophylle dans les cellules végétales.La chlorophylle fait partie du plus bas niveau d'organisation de la vie. Avec une série d'instruments, nous pourrions observer les différents stades de cette organisation qui apparaîtront à l'esprit comme une série d'éléments emboîtés.

Nous allons examiner de plus près deux éléments structuraux se trouvant tout près des extrémités opposées de la hiérarchie : l'écosystème et la cellule.

1.2.2 L'écosystème.

Aucun organisme ne peut se développer de manière isolée, il doit entretenir des relations continuelles avec son environnement

Cet environnement comprend d'autres organismes ainsi que des composantes non vivantes ( minérales). Les relations s'établissent dans deux directions : de l'organisme vers l'environnement ou de l'environnement vers les organismes.

Exemples organisme vers environnement.

- L'arbre qui libère de l'oxygène dans l'air et qui brise des mottes de terre avec ses racines

- Les lichens qui dégradent les parties superficielles des roches tendres comme les schistes

Exemples environnement vers organisme.

- Le sol qui fournit l'eau et les minéraux aux racines de l'arbre.

- L'énergie solaire captée et emmagasinée d'abord sous forme électronique par la chlorophylle des feuilles de végétaux.

Les organismes et leur environnement sont donc tous deux influencés par leurs interactions

Définition de l'écosystème  : 

Un écosystème comprend un milieu, les êtres vivants qui le composent et toutes les relations qui peuvent exister et se développer à l'intérieur de ce système.

L'écosystème est la plus grande unité d'étude de l'écologie, elle peut même s'appliquer à la terre qui peut être considéré comme le plus gros écosystème terrien contenant toute la vie sur la planète terre.

Un écosystème est composé de deux éléments la biocénose qui est l'ensemble des êtres vivants et le biotope qui est le milieu.

L'écosystème est un ensemble de vie équilibré, autonome stable et complexe.

Explications 

dynamique d'écosystème

La dynamique d'un écosystème comprend deux grands processus. Le premier est la circulation cyclique des des nutriments. Par exemple, les minéraux absorbés par les plantes finissent par retourner dans le sol sous l'action des microorganismes qui décomposent les feuilles et les racines mortes ainsi que d'autres débris organiques. Le deuxième processus est la circulation de l'énergie solaire depuis les producteurs jusqu'aux consommanteurs . Les producteurs sont les plantes et les autres organismes photosynthétiques qui convertissent l'énergie lumineuse enh énergie chimique. Les consommateurs sont les organismes tels que les animaux qui se nourissent des producteurs et d'autres consommateurs. 

Conversion d'énergie   

Pour se déplacer, croître, se reproduire et accomplir ses autres fonctions, d'ailleurs reprises au point 1.1 çi-dessus, un organisme a besoin d'énergie . L'échange d'énergie  entre unorganisme et son environnement suppose la conversion d'une forme d'énergie en une autre forme . Quand elle produit un glucide, par exemple, une feuille transforme l'énergie solaire en énergie chimique . Quand elle consomme un glucide pour se contracter , les fibres musculaires d'un animal convertissent l'énergie chimique en énergie cinétique . Et dans toutes les conversions d'énergie, une partie de l'énergie disponible est convertie en énergie thermique , dissipée sous forme de chaleur dans l'environnement lorsque les organismes accomplissent un travail. Contrairement aux nutriments chimiques qui se recyclent à l'intérieur de l'écosystème , l'énergie traverse l'écosystème , c'est à dire qu'elle y entre sous forme de lumière et ensort sous forme de chaleur. 

 

I.3 La cellule


La majorité des réactions biochimiques ont lieu dans des compartiments cloisonnés par une membrane, à savoir, la cellule. Ceci est logique au point de vue bio-chimique , car cela permet de concentrer les biomolécules dans la cellule . Tout être vivant est une cellule isolée ou une association de cellules.

I.3.1 Anticipation sur les notions de biologie cellulaire

Théorie cellulaire

La cellule est l'unité constitutive des organismes vivants. Elle en est aussi l'unité fonctionnelle.

1.    L'organisme dépend de l'activité des cellules isolées ou groupées en tissus pour assurer les différentes fonctions.

2.    Les activités biochimiques des cellules sont coordonnées et déterminées par certaines structures présentes à l'intérieur des cellules.

3.    La multiplication des cellules permet le maintien des organismes et leur multiplication.

4.    Cette théorie est formulée en 1838 par Scheiden et Schwann : la cellule est unité de vie (tout ce qui est vivant est cellulaire). Cette théorie évoque également la présence d'organites à l'intérieur de ces mêmes cellules.

La notion de cellule

Ici on se demande avant tout quelles sont les caractéristiques communes aux cellules, malgré leur diversité.

La cellule, machine à produire de l'ordre

La cellule représente un état hautement organisé de la matière: maintenir cet ordre tout en respectant les principes de la thermodynamique nécessite la mise en place de structures permettant d'utiliser l'énergie, la matière extérieure (on crée de l'ordre au niveau de la cellule mais, globalement, l'entropie augmente) la cellule est donc un système thermodynamiquement ouvert.

Un espace clos effectuant des échanges avec l'extérieur

La cellule constitue une unité spatiale, délimitée par une membrane. Celle-ci, loin d'être une limitante hermétique, constitue une surface d'échanges permettant la mise en place de flux.

Les membranes plasmiques, malgré leur diversité possèdent, sauf exceptions (certaines archées thermophiles possédant une seule couche de lipides), une structure identique :

·         une bicouche lipidique composée de lipides amphiphiles, qui constitue un filtre de base permettant le passage des substances hydrophobes, freinant celui des hydrophiles.

·         des protéines transmembranaires et périphériques aux rôles divers (transferts, transport, transduction de signaux...)

La membrane agit non seulement comme un filtre, c'est-à-dire en laissant passer certaines molécules selon la différence de concentration (appelée à tort gradient de concentration) mais aussi en utilisant de l'énergie (osmotique, chimique...) pour favoriser les flux endergoniques. Elle permet aussi le passage de la lumière, de la chaleur... En tant que surface de contact avec l'extérieur, elle assure aussi la transmission d'informations nécessaires à la réactivité de la cellule aux changements de l'environnement et à la coordination avec d'autres cellules.

La membrane plasmique crée donc un espace clos en constant échange avec l'environnement proche.

La compartimentation: mise en place de microenvironnements aux propriétés spécifiques

La présence d'une membrane biologique entourant un espace, que ce soit le cytoplasme ou la lumière d'un organite, va permettre, en contrôlant les échanges des macromolécules, des ions (et de toute autre molécule) l'établissement de conditions favorisant certaines réactions par rapport à d'autres: en variant les différents facteurs physico-chimiques (pH, concentration en ions...), la nature des enzymes et des produits, leur nombre...

Cet environnement permet ainsi la biosynthèse et la dégradation de molécules organiques, et ainsi le maintien d'une structure hautement organisée par un recyclage constant des molécules qui le forment.

Cette compartimentation se trouve particulièrement poussée dans le cas des eucaryotes : elle permet la spécialisation fonctionnelle des différents organites (la composition de leur lumière étant différente, ils sont le siège de réactions différentes: on va ainsi pouvoir favoriser la production de tel produit dans un compartiment, sa destruction dans un autre).

La cellule un flux organisé de matière et d'énergie

Cette structure de base (une membrane organisant les échanges entourant un compartiment, lieu de réactions chimiques spécifiques) va permettre la mise en place et le maintien de flux de matière, d'énergie, d'information ... traversant la cellule. Il y a donc une réelle organisation des échanges cellule-extérieur, qui va permettre au « système cellule » (au sens thermodynamique) de maintenir sa structure hautement organisée.

Finalement, la cellule ne constitue pas une structure stable et immuable mais plutôt une entité dynamique nécessitant un apport constant de matière et d'énergie pour permettre son fonctionnement et le maintien de sa structure: seule son organisation persiste, ses constituants étant en perpétuel renouvellement.

La cellule vectrice de gènes

Bien entendu, cette structure résulte de l'expression d'un programme génétique complexe (permettant notamment la synthèse d'enzymes dont on vient de voir l'importance). Celui ci doit être transmis, en même temps que la structure de base, au cours des divisions cellulaires. La cellule peut donc être considérée non seulement comme l'unité structurelle du vivant mais aussi comme un vecteur de gènes assurant leur transmission au fil des générations.

La transmission des gènes et cycle cellulaire

 

La division cellulaire aboutissant, à partir d'une cellule mère, à deux cellules filles contenant le même génome (aux erreurs de copie près) nécessite la succession de phases de synthèse protéique permettant le renouvellement et la croissance cellulaire, de synthèse d'ADN et enfin de partition plus ou moins équitable de la cellule.

La synthèse protéique résulte de l'expression du matériel génétique, elle se déroule en plusieurs étapes : transcription de l'ADN en ARN, traduction de l'ARN en une chaîne polypeptidique, repliement de celle-ci (chez les eucaryotes s'insèrent des phases de maturation où l'on coupe et modifie la séquence synthétisée). La copie du génome est réalisée par toute une machinerie protéique permettant à l'ADN polymérase d'accéder à la séquence et de la copier, selon le principe d'appariement des bases.

La partition de la cellule se fait par des mécanismes différents chez les procaryotes et les eucaryotes (nommée alors mitose ): celle-ci consiste en la partition et la transmission du génome intégral de la cellule mère.

La reproduction sexuée et cycle du développement

La cellule est là aussi le vecteur de gène et permet un brassage génétique au sein de la population grâce aux processus cellulaires que sont la méiose et la fécondation.

La reproduction sexuée est caractéristique des eucaryotes, mais il existe des mécanismes de brassage génétique chez les procaryotes.

La mort cellulaire : la cellule au service de l'organisme et des gènes

La cellule ayant reçu un signal de son environnement va exprimer un programme entraînant sa mort (l'apoptose étant un de ces mécanismes) : ce phénomène est nécessaire au développement des organismes pluricellulaires ; autant chez les végétaux (avec par exemple la mort des cellules formant le tube criblé), que chez les animaux  (lors de la mise en place de la main chez l'homme: on a initialement une main palmée, la mort des cellules permettant l'individualisation des doigts). Ce phénomène a aussi été découvert chez certaines bactéries (la mort cellulaire permet de limiter le nombre de bactéries lorsque les ressources sont insuffisantes).

La cellule, tant pour les êtres pluricellulaires que pour les unicellulaires, constitue une structure vouée avant tout à permettre la reproduction de l'organisme et donc la transmission d'une structure de base contenant un programme génétique. Ainsi, certains auteurs ont été amenés à formuler la théorie du gène égoïste, considérant les organismes (et donc les cellules) comme de simples structures destinées à assurer la transmission et la prolifération des gènes (le gène proliférant alors pour lui-même est qualifié d'égoïste).

Interdépendance cellulaire: de la cellule à l'organisme

La cellule, en constant échange avec l'extérieur dépend entièrement de celui-ci. Elle dépend aussi et surtout des autres cellules, à plusieurs niveaux:

Les êtres unicellulaires: la cellule « bonne à tout faire »

Ici, l'être vivant se réduit à une cellule: celle-ci doit donc assurer toutes les fonctions vitales (se nourrir, intégrer et réagir aux variations du milieu, proliférer...)

La cellule est donc en quelque sorte autonome mais elle dépend tout de même des autres cellules (rares sont les cellules ne prélevant que dans le milieu des composés exclusivement inorganiques).

Il existe donc une interdépendance cellulaire, même pour les êtres unicellulaires.

L'organisme pluricellulaire: une communauté de cellules interdépendantes

Ses cellules sont totalement dépendantes du bon fonctionnement des autres cellules: chacune d'entre-elles, bien qu'ayant le même matériel génétique(à de rares exceptions près: les gamètes, les lymphocytes par exemple), exprime un programme génétique particulier qui la maintien dans une voie de différenciation (plus ou moins poussée).Cette spécialisation implique le fractionnement d'opérations effectuées dans une seule cellule pour les unicellulaires: les cellules d'un même organisme s'organisent en différentes structures (tissus organes systèmes....) réalisant des foncions particulières. Ce fractionnement des fonctions nécessite une coordination entre cellules d'où l'émergence de systèmes de communication entre cellules.

On a donc une interdépendance forte au sein même de l'organisme qui se superpose à la dépendance aux autres êtres vivants.

La cellule eucaryote: formation de communautés de cellules intracellulaires

La théorie endosymbiotique (théorie démontrée en ce qui concerne les mitochondries et les chloroplastes) énonce que les cellules eucaryotes se sont formées à partir d'une cellule procaryote ayant phagocyté  puis domestiqué des bactéries: celles-ci seraient à l'origine des mitochondries. L'invagination de cyanobactéries aurait donné naissance aux chloroplastes.

La cellule eucaryote dérive donc de l'association symbiotique de bactéries qui sont devenues totalement interdépendantes au point de former une seule et même unité structurale et fonctionnelle.

Les principales structures cellulaires

Il existe deux types fondamentaux de cellules selon qu'elles possèdent ou non un noyau:

·         les procaryotes dont l'ADN est libre dans le cytoplasme (les bactéries, par exemple). Ils comprennent: les eubactéries et les archéobactéries;

·         les eucaryotes qui ont une organisation complexe, de nombreux organites et dont le noyau est entouré d'une membrane nucléaire.

Principales différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes

 

Procaryotes

Eucaryotes

Représentants

Eubactéries, Archéobactéries

protistes, champignons, plantes, animaux

Taille typique

~ 1-10 µm

~ 10-100 µm

Type de noyau

nucléoïde; pas de véritable noyau

vrai noyau avec une enveloppe

ADN

circulaire (chromosome), avec des protéines HU pour eubactéries

molécules linéaires (chromosomes) avec des protéines histone

ARN

Synthèse d'ARN dans le cytoplasme

synthèse d'ARN dans le noyau
synthèse de protéines dans le cytoplasme

Ribosomes

23S+16S+5S

28S+18S+5,8S+5S

Structure cytoplasique

très peu de structures

très structuré par des membranes intra cellulaires et uncytosquelette

Mouvement de la cellule

flagelle fait de flagelline

flagelle et cils fait de tubuline

Métabolisme

anaréobie ou aérobie

habituellement aérobie

Mitochondries

aucune

de une à plusieurs douzaines

Chloroplastes

aucun

dans les algues et les plantes

Organisation

habituellement des cellules isolées

cellules isolées, colonies, organismes complexes avec des cellules spécialisées

Division de la cellule

division simple

Mitose (multiplication conforme de la cellule)
Méiose (formation de gamètes )

Eubactéries

·         Le cytoplasme des procaryotes (le contenu de la cellule) est diffus et granulaire, du fait des ribosomes (complexe macromoléculaire responsable de la synthèse des protéines).

·         La membrane plasmique isole l'intérieur de la cellule de son environnement, et sert de filtre et de porte de communication.

·         Il y a souvent une paroi cellulaire. Elle est formée de peptidoglycane chez les eubactéries, et joue le rôle de barrière supplémentaire contre les forces extérieures. Elle empêche également la cellule d'éclater sous la pression osmotique dans un environnement hypotonique .

·         L'ADN des procaryotes se compose d'une molécule circulaire super enroulée. Bien que sans véritable noyau, l'ADN est toutefois condensé en un nucléoïde.

Les procaryotes peuvent posséder un ADN extra-chromosomial, organisé en molécules circulaires appelées plasmides . Ils peuvent avoir des fonctions supplémentaires, telles que la résistance aux antibiotiques. Certains procaryotes ont un flagelle leur permettant de se déplacer activement, plutôt que de dériver passivement.

Spécificités des archées

Les archéobactéries (archaea) sont considérées comme similaires à certains des premiers organismes qui existèrent sur Terre. On les rencontre notamment dans des milieux extrêmes (elles sont souvent appelées extrémophiles), tels que geysers, monts hydrothermaux, les fonds abyssaux. Certaines peuvent résister à des pressions et des températures extrêmes, et avoir un métabolisme basé sur le méthane ou le soufre.

Cellule eucaryote

Fig  :Organisation d'une cellule animale eucaryote typique

 

 

·         Le cytoplasme n'est pas aussi granulaire que celui des procaryotes, puisque la majeure partie de ses ribosomes sont rattachés au réticulum endoplasmique

·         La membrane plasmique ressemble, dans sa fonction, à celle des procaryotes, avec quelques différences mineures dans sa configuration.

·         La paroi cellulosique, quand elle existe (végétaux), est composée de polysaccharides, principalement la cellulose.

·         L'ADN des eucaryotes est organisé en une ou plusieurs molécules linéaires. Ces molécules se condensent en s'enroulant autour d'histones lors de la division cellulaire. Tous les chromosomes de l'ADN sont stockés dans le noyau, séparés du cytoplasme par une membrane. Les eucaryotes ne possèdent pas de plasmides : seuls quelques organites peuvent  

Suite/La vie 3

 

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Date de dernière mise à jour : 23/11/2015