SVT 4 : Une structure complexe, la cellule vivante La théorie cellulaire Qu’est-ce qu’une théorie ? Aujourd’hui il nous semble évident que

SVT 4 : Une structure complexe, la cellule vivante La théorie cellulaire

Qu’est-ce qu’une théorie ?

Aujourd’hui il nous semble évident que

*Postulat : Proposition que l'on demande d'admettre avant un raisonnement, que l'on ne peut démontrer et qui ne saurait être mise en doute.

Mais c’est le résultat d’une longue histoire scientifique qui s’est nourrit du progrès technologique de l’observation.

I/la naissance progressive d’un concept*

*Idée générale et abstraite que se fait l'esprit humain d'un objet de pensée concret ou abstrait, et qui lui permet de rattacher à ce même objet les diverses perceptions qu'il en a, et d'en organiser les connaissances.

1. Cette histoire est indissociable des progrès de la microscopie, depuis les premières lentilles à l’invention du premier microscope (Janssen 1595) (

&

http://sagascience.cnrs.fr/doscel/accueil2.htm

…au micrOsope électronique

Doc page 68/69)

1981 : microscope à effet tunnel qui permet d’observer les molécules (échelle nanométrique) Exercice 5 page 80

2. La construction de la théorie Un peu de vocabulaire !

Remarque : ne pas employer “théorie” à la place de “concept” ou “hypothèse” ou “spéculation”.

Un concept n'est pas figé et évolue.

Une théorie doit être figée. Si certains résultats ne sont pas expliqués par une théorie ce sont des arguments contre cette théorie et non des éléments à inclure dans la théorie.

Un modèle qui évolue devrait changer de nom.

Une théorie est un ensemble plus ou moins figé d'explications, à la lumière desquelles on interprète des faits.

Mais la théorie cellulaire représente un cas un peu à part car elle repose sur un concept (celui

de cellule) qui peut évoluer dans le temps ; cette “théorie” n'est donc pas vraiment figée.

Une théorie n'est ni vraie ni fausse : c'est un ensemble d'explications qui convient pour comprendre un phénomène.

Une théorie ne peut pas être prouvée mais argumentée. Si les arguments “pour” l'emportent sur les arguments “contre”, elle est adoptée... provisoirement. Si trop de cas ne cadrent pas avec la théorie, celle- ci doit être abandonnée

Un modèle explicatif qui ne peut pas être réfuté n'est pas une théorie scientifique (ex. l'interprétation freudienne des rêves).

Un paradigme est une théorie qui est admise [provisoirement] de façon consensuelle par la communauté scientifique.

• Les origines

• Des méthodes d’explorations à la confirmation des hypothèses

Mais attention, si le progrès des observations de la cellule participent à la meilleure connaissance de l’anatomie, notamment végétale, il faudra attendre le 19°siècle pour que naisse vraiment le concept de cellule.

A l’origine : une construction intellectuelle.

C’est la capacité d’observation des organismes vivants qui va venir nourrir ces « intuitions » et confirmer ces hypothèses…

Mais pas que…

Si les observations vont permettre de DECRIRE plus précisément les cellules, il faudra attendre le 19°

siècle pour leur attribuer le statut d’organisation élémentaire du vivant !

Ou la difficulté de l’émergence d’un concept

Le coin des curieux : la naissance d’un concept, de la difficulté à dépasser un paradigme Les observations de Robert Hooke (1635-1703), Marcello Malpighi (1628-1694), Nehemia Grew (1641-1712) et plus tardivement Antony van Leeuwenhoek (1632-1723ont réalisé les premières observations et descriptions de cellules connues à ce jour. Mais nulle part n’est présente l’idée qu’il s’agirait en l’espèce de l’unité élémentaire des êtres vivants. Ces micrographes ont bien pour la première fois semble-t-il observé des cellules et décrit leur structure ; ils n’en ont pas élaboré ou imaginé la notion. Ils n’ont pas accordé à leur découverte une portée générale, c’est-à-dire le sens d’une réponse à la question de la composition des organismes vivants.

Robert Hooke est le premier à employer le vocable de cellule pour désigner les vésicules qu’il distingue au microscope dans la coupe d’un morceau de liège. Mais il ne cherche, en recourant à ce moyen d’investigation, qu’à tirer au clair la question des propriétés physiques de cette matière (son élasticité et sa porosité, liée à la présence d’un volume d’air compressible dans les vésicules).

Autrement dit, Hooke ne recherche nullement l’élément constitutif des êtres vivants, comme en atteste au surplus l’usage plutôt fantaisiste qu’il fait du microscope, puisqu’il s’en sert pour

observer toutes sortes d’objets disparates, organiques ou inorganiques ; et il n’en conclut pas non plus qu’il l’a trouvé après sa découverte.

Le terme de cellule (qui renaîtra comme terme d’anatomie végétale seulement au début du 19e siècle, sans que l’idée de cet usage vienne semble-t-il de la lecture des écrits micrographiques de Hooke) ne figure pas dans les travaux, effectués simultanément et indépendamment l’un de l’autre, de Malpighi et Grew sur l’anatomie microscopique des plantes (1671), ni dans ceux plus tardifs d’Antony van Leeuwenhoek (1632-1723). On y voit cependant la description détaillée d’un certain nombre de corpuscules, que les auteurs nomment « utricules » et/ou de « saccules », description qui correspondrait assez exactement à celle de cellules épithéliales.

Ces observations, bien moins sommaires que celles de Hooke, furent réputées au 18e siècle en raison de leur richesse et de leur précision, avant de l’être au 19e siècle en raison de l’importance qu’on leur conféra rétrospectivement dans l’histoire de la théorie cellulaire. Pourtant on ne décèle chez leurs auteurs nulle trace non plus d’un quelconque souci d’accorder à ces corpuscules une signification générale, d’un effort pour dépasser les ambitions d’une morphologie strictement descriptive.

La question de savoir quelle est l’origine de ces vésicules visibles au microscope n’est pas posée non plus, sauf par Grew qui émet l’hypothèse qu’il s’agit en l’espèce de formations secondaires, dérivées d’un liquide formateur primitif – idée qui sera reprise (on a vu que Claude Bernard y restait attaché) sous des avatars terminologiques variés : théorie du sarcode (Dujardin), théorie du cytoblastème (Schwann), et qui fera longtemps obstacle à la constitution définitive de la théorie cellulaire, en dépit des démentis répétés et croissants que ne manqueront pas de lui infliger l’observation et l’expérience.

En résumé l'on peut dire que les micrographes du 17e siècle ont observé et décrit des cellules dont ils n’avaient pas la notion et qu’ils n’ont pas contribué à créer. En conséquence de quoi leur

contribution à l’édification de la théorie cellulaire peut être considérée comme négligeable.

« Le perfectionnement du microscope a permis la fondation de l’anatomie microscopique végétale. La cellule se trouve parmi les formes décrites ; mais aucun auteur ne voit en elle l’élément unique et fondamental de la plante. Tous les naturalistes de cette époque considèrent les fibres et les vaisseaux comme parties

élémentaires au même titre que la cellule. Malpighi, qui a apporté à l’anatomie microscopique animale des contributions de tout premier ordre, ne considère pas la cellule végétale comme l’unité vivante fondamentale comparable à un élément identique de l’organisation animale ; la cellule est seulement une forme de texture végétale parmi d’autres.» (Klein)

Dans ces conditions, il n’y a aucun paradoxe à ce qu’au 18e siècle, la question de la structure élémentaire des êtres vivants soit débattue et développée dans le cadre d’investigations ne prolongeant ni ne renvoyant d’aucune manière aux travaux d’anatomie végétale microscopique du 17e siècle.

Plus d’un demi-siècle après en effet, c’est sans référence aux découvertes des micrographes que vont être entreprises des recherches ayant pour but d’établir l’existence d’une unité élémentaire des organismes.

&

• mais, des contreverses :

Encore des mises au points sémantiques !

La science est le processus de génération de connaissance et la définition de faits objectifs.

Bien que les faits scientifiques soient la chose que nous, humains, avons de plus proche de la vérité, il est essentiel de reconnaître qu’ils sont intrinsèquement et perpétuellement remis en cause.

Même lorsqu’un fait a été démontré à de multiples reprises pendant des décennies, des doutes peuvent toujours exister autour de celui-ci.

La science dans son essence la plus profonde est à l’origine de doutes. Les connaissances scientifiques ne peuvent progresser que par le questionnement constant des paradigmes établis.

Ces derniers sont soit prouvés encore et encore et deviennent donc des faits établis, ou alors ils évoluent et sont corrigés par de nouvelles preuves. Quoi qu’il en soit, le doute peut également prendre une forme plus destructrice. Il est donc crucial de distinguer deux approches de discussion :

controverse et polémique.

Une controverse est un processus fondamentalement sain qui conduit à l’explication scientifique des choses.

Imaginez deux groupes de scientifiques débattant, discutant, échangeant des informations sur des interprétations contradictoires d’une série d’observations.

L’objectif principal de ce débat est ici d’obtenir un consensus, un accord. La controverse ne peut être réglée que par de nouvelles expériences et donc de données, qui alimentent d’autres discussions et ainsi de suite. La controverse se conclut car des preuves soutiennent de manière écrasante une interprétation scientifique en particulier. Le processus de réflexion critique est essentiel en science et la controverse

scientifique est indispensable pour atteindre un consensus sur de nouveaux concepts. Elle peut également conduire à l’émergence de nouveaux champs de recherche. Il s’agit là d’un cercle vertueux de débat et de découvertes.

Une polémique, en revanche, est un processus destructeur qui n’aboutit qu’à une impasse.

Il faut là imaginer un débat où la vision scientifique des choses est incroyablement restreinte et où le moteur du désaccord est l’idéologie ou les intérêts économiques et non les faits scientifiques. Ce processus créé également du doute, mais celui-ci est utilisé dans le but de discréditer le consensus scientifique.

En effet, une polémique naît souvent de la déformation idéologique d’un débat ou d’une controverse scientifique, à desseins politiques ou économiques. Le processus d’une polémique implique souvent de discréditer les scientifiques, affirmer qu’ils ont des conflits d’intérêts et créer une guerre d’information hypermédiatisée. Ceux qui sont à la poursuite de telles polémiques habillent souvent leurs discours d’un verbiage scientifique pour donner une légitimité superficielle à leur propagande pseudo- scientifique.

Par comparaison à une controverse, l’objectif principal d’une polémique est d’être le terreau de l’obscurantisme. Les doutes ne conduisent pas qu’à la curiosité scientifique mais aussi à la peur. Nous sommes témoins ici d’un cercle vicieux freinant le progrès et une action publique rationnelle.

Article « the conversation »

La contreverse de la génération spontannée

C'est une théorie selon laquelle la vie peut spontanément s'organiser pour donner existence à une forme de vie qui lui semble opportune. Cette croyance a traversé tous les âges : universellement acceptée dans l'Antiquité, plus discutée dans les temps modernes ce qui fera d'ailleurs dire à Pasteur « les plus grandes erreurs peuvent compter par siècles leur existence ». Certes au cours des

millénaires les hommes se sont aperçus que les animaux avaient besoin d'un accouplement pour produire des petits néanmoins pour les petits animaux comme la souris ou les micro-

organismes la génération spontanée fit longtemps partie du sens commun car l'apparition d'êtres vivants là où on ne les voyaient pas est un phénomène d'observation courante.

Des scientifiques avaient réalisé des expériences réfutant la génération spontanée

Francesco Redi (1626-1697), médecin des Médicis de Florence, décrivit son expérience démontrant l’impossibilité de la génération spontanée, théorie alors très en vogue. Cette expérience, que

beaucoup considèrent comme la première expérience contrôlée en biologie, aurait dû balayer des hypothèses enracinées depuis les temps d’Aristote, selon lesquelles la vie naît de la matière

inanimée. Il n’en fut rien : malgré les travaux menés par Francesco Redi pour répondre à ses adversaires et confirmer ses observations, et plus tard, les contribution de l’abbé italien Lazzaro Spallanzani (1729-1799), l’idée fascinante que la vie puisse être créée à volonté, artificiellement, a subsisté jusqu’au XIXe siècle.

Pasteur intervient dans cette controverse et devient le porte-étendard des ennemis de la génération spontanée.

En 1858 il se lance dans la bataille, pendant 6 ans, appliquant une démarche scientifique rigoureuse, il reprendra soigneusement les expériences réalisées notamment par Schwann

convaincu que les organismes ne peuvent naître que de germes parents déjà présents. C'est ainsi que le 7 avril 1864 dans le grand amphithéâtre de la Sorbonne il démontrera définitivement la non-existence de l'hétérogénèse.

Son principal adversaire, Pouchet, est un ardent défenseur de la génération spontanée, il rivalisera expérience contre expérience face à Pasteur.

En effet en 1860, Félix Pouchet (soutenu par un médecin anglais, Bastian) publie un traité dans lequel il développe une théorie de la génération spontanée étayée par de nombreux exemples expérimentaux qui sont en fait autant d’exemples de contamination par l’air extérieur.

La controverse dépassera le cadre scientifique comme peut nous le faire deviner la citation de Pouchet, « renier la génération spontanée, c'était renier la création divine » et nous voici dans la polémique !

… vers la biologie cellulaire : science qui étudie les cellules, leur organisation, leur fonctionnement, leur origine et leur évolution.

Elle est désormais indissociable de la génétique et de la biologie moléculaire.

II/l’exploration des cellules.

Pour commencer quelques échelles : (page I, couverture)

1) L’organisation des cellules élucidée par l’observation

• Les cellules animales : lymphocytes et globules rouges (page 71)

Au microscope optique x1000 Au microscope électronique (colorisé) et un organite : mitochondrie (au MEB)

Organite : structure cellulaire remplissant une fonction (« organe » à l’échelle cellulaire)

• Cellules végétales : (pages 70/76)

Au microscope optique (X1000) Au microscope electronique et reconstitution 3D d’un chloroplaste

Une cellule est une unité structurale et fonctionnelle, elle est constituée d’un cytoplasme dans lequel on trouve des ultrastructures qui remplissent une fonction : les organites.

Par exemple

- chloroplastes des cellules végétales chlorophylliennes à photosynthèse - mitochondrie des cellules animales et végétales à respiration

les observations des cellules permettent de faire des reconstitutions schématiques

• Les bactéries sont des cellules mais déporvues de noyau et d’organites : procaryotes (page 70) - au microscope optique (b) et MEB colorisé (a et c)

a b c

- au microscope électronique

Au minimum toutes ces cellules présentent - une membrane, qui les délimite - du cytoplasme

- de l’ADN

cette identité de structure suggère une parenté

ce qui a permis de reconstituer l’origine du buisson du vivant

Toutes ces cellules sont délimitées par une membrane 2) la membrane (pages 72/73)

a)Une structure en 2 feuillets…

Membrane observée au MET

b)…Composés de lipides et de protéines

Une majorité de lipides et de protéines Les lipides de la membranes sont des phospholipides à schéma simplifié

• Si on place ces phospholipides dans l’eau, on se rend compte qu’ils s’organisent de façon très particulière du fait des proprièés de leurs différents composants

Formation d’un film à la surface ou d’une bicouche dans l’eau

Partie HYDROPHILE («qui aime l’eau ») Partie HYDROPHOBE (« qui deteste l’eau »)

Les parties hydrophiles vont se positionner au contact de l’eau, tandis que les parties hydrophobes « fuient l’eau » et former des films ou des « bicouches.

Les liposomes correspondent à l’organisation des phospholipides dans la membrane : - 2 couches de phospholipides isolant un milieu intracellulaire du milieu extracellulaire Un premier modèle :

Milieu extracellulaire (EAU)

Aspect

« trilaminaire » 1

2

3

Milieu intracellulaire (EAU)

• Des protéines : l’analyse chimique a montré la présence abondante de protéines Par cryofracture * on peut révéler une hétérogénéité de la membrane Dissymétrie :

La couche externe paraît plus épaisse

Observation de

« granulations » dans la membrane

* méthode de cryofracture (de « cryo » = froid)

Les cellules sont rapidement congelées dans l’azote liquide, puis cassées avec un objet métallique, ombrées, et observées

Observation

jusqu’à 30 000 particules de 10nm par µm2, interprétées comme des protéines

Interprétation

De nombreuses

protéines sont incluses dans la bicouche lipidique de la membrane

Exercices 2, 3 page 78

- des protéines incluses dans la couche extérieure (elles peuvent porter des résidus glucidiques àglycoprotéines)

- des protéines incluses dans la membrane interne.

- Des protéines transmembranaires Milieu extracellulaire Partie hydrophile

Partie hydrophobe Partie hydrophile

Milieu intracellulaire

Ces protéines jouent des rôles très importants dans le fonctionnement de la cellule - transports, récepteurs, enzymes, ancrage de la cellule

c) Mise en évidence d’une fluidité : vers un modèle dynamique (exercice 4 page 79) On réalise une expérience où on contraint la fusion de 2 cellules d’espèces différentes (marquées par des protéines différentes) dont on a marqué les protéines

Au bout d’une heure on observe que les protéines sont réparties de façon homogène dans la cellule hybride :

Il y a des déplacements dans la membrane

La membrane évolue en permanence grâce à des mouvements des phospholipides qui peuvent entraîner un déplacement des protéines : la membrane est une structure dynamique.

d) Le modèle d’une « mosaïque fluide » Singer et Nicholson (1972)

L’établissement de ce modèle résulte d’une histoire de découvertes successives

e) La construction du modèle

Les molécules liposolubles pénètrent dans les cellules plus rapidement que les molécules hydrosolubles à la membrane doit être constituée de lipides

En 1925, les biologistes Gorter et Grendel solubilisent les lipides de globules rouges et les déposent à la surface de l’eau dans une cuve de Langmuir. En mesurant les aires de la membrane du globule rouge et de la monocouche déposée, ils déduisent que la

membrane est formée d’une double couche de lipides

Entre 1940 et 1950 apparaissent deux techniques qui permettent des progrès rapides dans la connaissance de la structure cellulaire et de la membrane plasmique : l’ultracentrifugation différentielle et la microscopie électronique. Les observations de microscopie électronique renforcent l’hypothèse de bicouche, révèlent l’asymétrie de la membrane et suggèrent la présence de structures globulaires, composées de protéines

Mise en évidence de la fluidité de la membrane

Des découvertes qui éclairent nos origines :

Pour aller plus loin : le coin des curieux