UAA3 : Unité et diversité des êtres vivants Partie I : Recherche d éléments communs à tous les êtres vivants La cellule, unité de base du monde vivant L'évolution de la science est souvent tributaire de l'invention d'instruments qui permettent à l'être humain d'aller au-delà des limites de ses sens. En effet, l observation d une cellule à l œil nu est impossible. Ainsi, la découverte et l'étude des cellules auraient été impossibles sans l'invention et le perfectionnement des microscopes au XVIIe siècle. Un peu d histoire En 1665, Robert Hooke, un chimiste, mathématicien, physicien et inventeur anglais décrivit un certain nombre d'objets tels qu'il les a observés à l'aide d'un microscope optique de sa fabrication. Il observe un fragment d'écorce de Chêne à l'aide de son microscope grossissant 30X et découvre que cette écorce contient une multitude de petites chambres. Pour les qualifier, il utilise le terme " cellules " car celles-ci lui faisaient penser aux chambres des moines. Microscope de Hooke Cellules de liège observées par Hooke Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723), de Delft aux PaysBas, a consacré toute sa vie à perfectionner une loupe de drapier afin d observer toutes sortes de cellules : globules rouges humains ou d animaux, levure de bière, spermatozoïdes de différentes espèces, êtres microscopiques des mares d eau, cellules nerveuses et musculaires On lui doit de nombreux dessins, et notamment la première représentation du noyau cellulaire. Il n imaginait cependant pas que toutes ces cellules étaient comparables, ni que le corps humain en était entièrement constitué. 1
C est en 1839 que la théorie cellulaire prend forme avec le botaniste allemand Matthias J. Schleiden et le zoologiste d origine allemande Théodor Schwann, professeur à l Université de Louvain puis à Liège : «Tout organisme est formé de cellules et les fonctions de l organisme en entier ne représentent que la somme des fonctions exécutées par ses cellules constitutives.» En d autres termes, l unité de base de tout être vivant est la cellule et tous les organismes vivants sont faits d au moins une ou de plusieurs cellules que l on ne peut voir qu au microscope, sauf exceptions. Observation de différents types cellulaires par microscopie optique Le microscope optique Le microscope utilisé par Hooke est un microscope optique. On l appelle ainsi car la source d'éclairage est la lumière visible. La lumière traverse l'échantillon puis des lentilles afin d'obtenir une image grossie. Pour ce faire, l'échantillon doit être très fin, on réalise une coupe de l échantillon à observer à l aide d un microtome (voir ci-dessous). Microtome. Les meilleurs microscopes optiques grossissent 1500 fois. Au-delà, l image devient brouillée à cause de certaines propriétés de la lumière. Le pouvoir de résolution est la distance en deçà de laquelle deux points n apparaissent plus comme distincts. A l œil nu, cette distance vaut environ 0,1 mm. En microscopie optique, deux points séparés par une distance inférieure à 1 µm apparaissent confondus. Or, la plupart des organites cellulaires mesurent moins ou une taille proche du pouvoir de résolution. Le microscope optique ne permet donc pas une analyse fine des structures cellulaires. N.B. Pour améliorer l observation des échantillons en microscopie optique, on utilise des colorants qui vont permettre de différencier les constituants cellulaires Exemple : L hématoxyline colore les noyaux en bleu. Le lugol colore les polysaccharides en violet foncé. L éosine colorie le cytoplasme en rose. Le bleu de luxol colore le cytoplasme en bleu. L acide periodique Schiff colore en rouge fuchsia les aldéhydes (sucres ou polysaccharides) de la membrane plasmique ou des acides nucléiques Aujourd hui, des substances fluorescentes associées à des anticorps sont très fréquemment utilisées pour colorer, avec une grande spécificité, diverses structures cellulaires. 2
Activité 1 : Observation de cellules animales au microscope optique. A partir du document suivant, réalise un schéma légendé de la cellule animale et détermine la taille de la cellule. Doc 1 : Une technique souvent utilisée pour observer les cellules animales est de racler l intérieur de sa bouche avec un coton tige. Les cellules buccales ainsi récupérées sont placées sur une lame et colorées au bleu de méthylène afin d être observées au microscope optique. Les cellules animales présentent une structure relativement simple : elles sont limitées par une membrane plasmique et leur intérieur est rempli de cytoplasme dans lequel baignent les différents organites* cellulaires et le noyau. *Organites : composants de la cellule qui assurent une fonction particulière. Schéma : La taille d une cellule animale est d environ L observation de la cellule animale au microscope met en évidence la présence d organites, trop petits pour être identifiables. Il s agit notamment de mitochondries : Les mitochondries sont le site de la respiration cellulaire. Elles génèrent de l énergie directement utilisable par la cellule, sous forme de molécules d ATP, à partir de molécules riches en énergie comme les glucides ou les lipides. Cette réaction physico-chimique nécessite des molécules d oxygène. La mitochondrie est délimitée par deux membranes : Une membrane externe et lisse. Une membrane interne et formant de nombreuses replis appelés «crêtes». La membrane interne crée deux compartiments dans la mitochondrie : une matrice localisée au centre et un espace intermembranaire. Ce sont des protéines situées dans la membrane interne qui finalisent la production de l ATP. 3
Activité 2 : Observation de cellules végétales au microscope optique a) Observation d une cellule d oignon rouge. Le document suivant illustre des cellules d oignon rouge plongées dans de l eau déminéralisée (à gauche) ou dans de l eau salée (à droite). http://tpe-hydratation-cutanee.e-monsite.com A l intérieur de la cellule, on observe une vacuole, autour de laquelle s étend le cytoplasme (= liquide dans lequel baigne les organites), tous deux colorés en rose. Plongées dans l eau déminéralisée, les cellules absorbent l eau et gonflent, c est la turgescence. Au contact de l eau salée, l eau contenue dans la cellule sort, c est la plasmolyse. Ce phénomène permet d écarter la membrane plasmique de la paroi cellulosique qui borde les cellules, afin de faciliter leur observation. Notons que dans le cytoplasme, parmi les organites, on en trouve un énorme, unique, sphérique, surtout visible après coloration au lugol : il s agit du noyau (voir illustration ci-dessous). Cellule d oignon rouge colorée au lugol. http://cell.sio2.be/noyau/1.php Réalise un schéma légendé de la cellule végétale d oignon rouge. Aide-toi du texte ci-dessus. 4
b) Observation d une cellule d élodée (algue verte). La membrane plasmique de la cellule d élodée est difficilement observable car elle est accolée à la paroi des cellules. Les cellules d élodée apparaissent vertes sous le microscope. A l intérieur de la cellule, des chloroplastes (= organites verts en forme de pastille), baignent dans le cytoplasme. Un autre organite (rond et de couleur différente) apparaît : c est le noyau. Notons que, malgré qu elles ne soient pas observables sur ces illustrations, la cellule végétale possède également des mitochondries. Réalise un schéma légendé de la cellule végétale d élodée et précise la ou les différences avec la cellule d oignon. La taille d une cellule végétale est d environ.. Le chloroplaste est le site de la photosynthèse. La photosynthèse est un processus utilisé par les plantes pour produire de l énergie chimique (qui sera placée dans des molécules de glucides) à partir de l énergie lumineuse. Les chloroplastes contiennent de la chlorophylle, un pigment responsable de la couleur verte de la plupart des plantes. Ces pigments chlorophylliens captent la lumière nécessaire à la photosynthèse. 5
Activité 3 : observation des cellules bactériennes au microscope optique. Les bactéries sont si petites qu il est difficile de les observer correctement avec un simple microscope optique. Calculez la longueur et la largeur d une cellule bactérienne. Longueur :.. Largeur :. Pour observer les différences avec les cellules animales et végétales, nous allons observer une image de cellule bactérienne prise par microscopie électronique. Légende l image Quelle différence repères-tu par rapport aux autres types cellulaires? Ce type de cellule qui ne possède pas de noyau (et n en a jamais eu) est appelé cellule procaryote. Les cellules qui possèdent un noyau (même si elles le perdent, dans le cas des globules rouges) sont quant à elles qualifiées de cellules eucaryotes 6
Bilan : Comparaison des différents types cellulaires (C1) Complète le tableau suivant en ajoutant une croix lorsque la structure citée est présente chez ce type cellulaire. Cellules de type Eucaryotes végétaux Procaryotes animaux bactéries membrane plasmique cytoplasme noyau organites vacuole chloroplastes (chlorophylle) mitochondries paroi Ancrage du concept : Palier d organisation et hiérarchie structurelle 7
Composition chimique typique du vivant. (C2) A partir des documents suivants, nous allons tenter de répondre à la question suivante : «De quoi se compose la matière vivante?» Document 1 Différents échantillons de matière inerte ou vivante sont mis en contact avec une poudre blanche, le sulfate de cuivre anhydre. a) En te rappelant l expérience de déshydratation du sel de sulfate de cuivre réalisée dans le cadre du cours de chimie, quelle est la propriété du sulfate de cuivre anhydre? b) Quelle information sur la composition de la matière vivante cette expérience vous apporte-t-elle? La matière vivante est donc composé de Quelle est sa proportion dans l organisme? Pour répondre à cette question observe attentivement le document 2 et calculer la quantité d eau (en pourcentage de la masse initiale) contenue dans chacun des échantillons suivants : foie de veau, champignon et salade. Document 2 La proportion d eau dans un organisme vivant est d environ. 8
Document 3 En exploitant les données du document 3, réponds à la question suivante : La matière qui constituent les êtres vivants est-elle la même que celle qui constitue la matière minérale? a) La matière qui constituent les êtres vivants est-elle la même que celle qui constitue la matière minérale? b) Quels sont les principaux atomes que l on retrouve dans la matière vivante? Document 4 a) Observe l expérience ci-dessus et note les transformations observées pendant l expérience. b) Rappelle la propriété de l eau de chaux c) Quelle propriété de la matière vivante cette expérience met-elle en évidence? 9
Activité : A partir de ce site modélisant des molécules 3D, réponds aux questions suivantes : http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/gutjahr/molec3d/molec3d/dossiers/mat-org_accueil.htm 1. Quels sont les grands groupes de molécules organiques qui constituent les êtres vivants? 2. Compare les molécules suivantes et complète le tableau ci-dessous : glucose, acide palmitique, méthionine et adénine. Ces molécules sont représentatives des grands groupes des molécules organiques identifiées au point 1. Quelques infos sur ces substances : l acide palmitique est un acide gras. Il appartient à la catégorie des lipides ; la méthionine est un acide aminé. Les acides aminés appartiennent à la catégorie des protéines le glucose fait partie des glucides l adénine est un nucléotide. le nucléotide fait partie des acides nucléiques, molécules rencontrées dans le noyau des cellules Catégorie de molécule organique exemple Nombres d atomes Liste des atomes composant la molécule.... glucose Acide palmitique méthionine adénine 3. Que signifie le terme «macromolécules»? 4. Quelle est la place des macromolécules dans la composition chimiques de êtres vivants? 5. Cite un exemple de macromolécules de chaque groupe de molécules organiques qui en contient. 10
La parenté entre les êtres vivants (C3) Les êtres vivants se caractérisent par leur extrême diversité. Nous estimons à deux millions d'espèces différentes les animaux actuellement connus, et à 500000 espèces, les plantes... et il y a de bonnes raisons de croire que nos inventaires sont loin d'être complets! Aujourd hui, grâce notamment aux travaux de Darwin, nous savons qu à l échelle macroscopique, on peut mettre en évidence des indices permettant d établir une parenté entre les êtres vivants. Peut-on trouver des indices en faveur de cette parenté au niveau atomique, au niveau moléculaire, au niveau cellulaire? Pour répondre à cette question, utilise l ensemble des informations acquises au cours des activités précédentes et montre qu il existe aussi des indices : Au niveau atomique : Au niveau moléculaire : Au niveau cellulaire : Ces différents indices permettent aujourd hui d avancer l hypothèse selon laquelle nous avons tous un.. Synthèse Il suffit de regarder autour de soi pour constater l incroyable diversité du monde vivant. Pourtant, l enquête scientifique démontre que cette diversité apparente est sous-tendue par une unité qui se manifeste à différents niveaux de l organisation du vivant. L étude des matériaux du vivant nous apprend que les briques élémentaires qui le constitue, à savoir les atomes, sont les mêmes : C, H, O, N pour l essentiel. Ces briques sont toutes disponibles sur la planète Terre. La matière des êtres vivants est donc formée à partir des éléments de la planète Terre. Au niveau moléculaire, les briques s organisent en matière minérale dont l eau qui est le constituant le plus important sur le plan quantitatif et la matière organique. Les molécules organiques sont organisées autour de l atome de carbone et se repartissent en 4 familles : glucides, lipides, protides et acides nucléiques. D un être vivant à l autre, on retrouve les mêmes molécules de base. L observation microscopique permet d accéder à un autre niveau d organisation, celui de la cellule. Si on peut distinguer deux grands types de cellules, la cellule eucaryote et la cellule procaryote, toutes les cellules de tous les êtres vivants partagent des points communs (membrane plasmique, cytoplasme) faisant de celle-ci l unité structurale du monde vivant. Le partage de ces nombreux caractères communs témoigne de la parenté des êtres vivants. 11
Argument en faveur de la théorie de l ancêtre commun par l anatomie comparée. L anatomie comparée consiste à observer les similitudes, chez un ensemble d animaux (ou de plantes) fossiles ou actuels, d un même organe et d en déduire les étapes successives de l évolution. http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/college/janzac/parentes/tester.html T1 : A partir de ce document représentant l anatomie des membres antérieurs de quelques vertébrés, identifie les éléments communs à chacun de ces membres et réalise ensuite un schéma représentant le membre antérieur hypothétique d un ancêtre commun. 12