Biologie environnementale

Les êtres vivants sont hautement organisés et structurés, suivant une hiérarchie d’échelle allant du petit au grand (figure 1). L’atome est l’unité la plus petite et la plus fondamentale de la matière. Il est constitué d’un noyau entouré d’électrons. Les atomes se combinent pour former des molécules, qui sont des structures chimiques composées d’au moins deux atomes maintenus ensemble par une liaison chimique. Dans les plantes, les animaux et de nombreux autres types d’organismes, les molécules s’assemblent de manière spécifique pour créer des structures appelées organelles. Les organites sont de petites structures qui existent à l’intérieur des cellules et remplissent des fonctions spécialisées. Comme nous le verrons plus en détail ci-dessous, tous les êtres vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules.

Dans la plupart des organismes multicellulaires, les cellules se combinent pour former des tissus, qui sont des groupes de cellules similaires exerçant la même fonction. Les organes sont des collections de tissus regroupés en fonction d’une fonction commune. Les organes sont présents non seulement chez les animaux mais aussi chez les plantes. Un système d’organes est un niveau supérieur d’organisation qui consiste en des organes fonctionnellement liés. Par exemple, les animaux vertébrés possèdent de nombreux systèmes d’organes, comme le système circulatoire qui transporte le sang dans tout le corps ainsi que vers et depuis les poumons ; il comprend des organes tels que le cœur et les vaisseaux sanguins. Les organismes sont des entités vivantes individuelles. Par exemple, chaque arbre d’une forêt est un organisme.

Tous les individus d’une espèce vivant dans une zone spécifique sont collectivement appelés une population. Une communauté est l’ensemble des différentes populations habitant une zone commune. Par exemple, l’ensemble des arbres, des fleurs, des insectes et des autres populations d’une forêt forment la communauté de la forêt. La forêt elle-même est un écosystème. Un écosystème est constitué de tous les êtres vivants d’une zone particulière ainsi que des éléments abiotiques, ou non vivants, de cet environnement, comme l’azote du sol ou l’eau de pluie. Au plus haut niveau d’organisation, la biosphère est l’ensemble de tous les écosystèmes et représente les zones de vie sur Terre. Elle comprend la terre, l’eau et des portions de l’atmosphère.

Théorie de la cellule

Fermez les yeux et imaginez un mur de briques. Quel est l’élément constitutif de base de ce mur ? C’est une seule brique, bien sûr. Comme un mur de briques, votre corps est composé de blocs de construction de base et les blocs de construction de votre corps sont des cellules. Votre corps possède de nombreux types de cellules, chacune étant spécialisée dans un but précis. Tout comme une maison est faite de divers matériaux de construction, le corps humain est construit à partir de nombreux types de cellules. Par exemple, les cellules osseuses aident à soutenir et à protéger le corps. Les cellules du système immunitaire combattent les bactéries envahissantes. Et les globules rouges transportent l’oxygène dans tout le corps. Chacun de ces types de cellules joue un rôle essentiel dans la croissance, le développement et l’entretien quotidien du corps. Cependant, malgré leur énorme variété, toutes les cellules partagent certaines caractéristiques fondamentales.

Les microscopes que nous utilisons aujourd’hui sont bien plus complexes que ceux utilisés dans les années 1600 par Antony van Leeuwenhoek, un commerçant néerlandais qui avait une grande habileté à fabriquer des lentilles. Malgré les limites de ses lentilles, van Leeuwenhoek a observé les mouvements d’organismes unicellulaires et de spermatozoïdes, qu’il a collectivement appelés « animalcules ». Dans une publication de 1665 intitulée Micrographia, le scientifique expérimental Robert Hooke a inventé le terme « cellule » (du latin cella, qui signifie « petite pièce ») pour désigner les structures en forme de boîte qu’il a observées en observant un tissu de liège à travers une lentille. Dans les années 1670, van Leeuwenhoek a découvert des bactéries et des protozoaires. Les progrès ultérieurs en matière de lentilles et de construction de microscopes ont permis à d’autres scientifiques de voir différents composants à l’intérieur des cellules.

À la fin des années 1830, le botaniste Matthias Schleiden et le zoologiste Theodor Schwann étudiaient les tissus et ont proposé la théorie cellulaire unifiée, qui stipule que tous les êtres vivants sont composés d’une ou plusieurs cellules, que la cellule est l’unité de base de la vie et que toutes les nouvelles cellules proviennent de cellules existantes. Ces principes sont toujours d’actualité. Il existe de nombreux types de cellules, et toutes sont regroupées dans l’une des deux grandes catégories suivantes : les procaryotes et les eucaryotes. Les cellules animales, végétales, fongiques et protistes sont classées comme eucaryotes, tandis que les cellules des bactéries et des archées sont classées comme procaryotes.

Toutes les cellules partagent quatre composants communs : 1) une membrane plasmique, une enveloppe extérieure qui sépare l’intérieur de la cellule de son milieu environnant ; 2) le cytoplasme, constitué d’une région gélatineuse à l’intérieur de la cellule dans laquelle se trouvent d’autres composants cellulaires ; 3) l’ADN, le matériel génétique de la cellule ; et 4) les ribosomes, des particules qui synthétisent les protéines. Cependant, les procaryotes diffèrent des cellules eucaryotes de plusieurs façons.

Composants des cellules procaryotes

Une cellule procaryote est un organisme simple et unicellulaire (unicellulaire) dépourvu de noyau, ou de tout autre organite lié à une membrane. Nous verrons bientôt qu’il en va tout autrement chez les eucaryotes. L’ADN procaryote se trouve dans la partie centrale de la cellule : une région sombre appelée nucléoïde (figure 1).

Cellules eucaryotes

Une cellule eucaryote est une cellule qui possède un noyau lié à une membrane et d’autres compartiments liés à une membrane appelés organites. Il existe de nombreux types d’organites, chacun ayant une fonction hautement spécialisée (voir figure 3). Le mot « eucaryote » signifie « véritable noyau » ou « vrai noyau », faisant allusion à la présence du noyau lié à la membrane dans ces cellules. Le mot  » organite  » signifie  » petit organe  » et, comme nous l’avons déjà mentionné, les organites ont des fonctions cellulaires spécialisées, tout comme les organes de votre corps ont des fonctions spécialisées.

Taille des cellules

Avec un diamètre de 0,1 à 5,0 µm, la plupart des cellules procaryotes sont nettement plus petites que les cellules eucaryotes, dont le diamètre varie de 10 à 100 µm (figure 3). La petite taille des procaryotes permet aux ions et aux molécules organiques qui y pénètrent de se propager rapidement vers d’autres parties de la cellule. De même, tout déchet produit à l’intérieur d’une cellule procaryote peut rapidement en sortir. Cependant, les cellules eucaryotes de plus grande taille ont évolué vers des adaptations structurelles différentes pour améliorer le transport cellulaire. En effet, la grande taille de ces cellules ne serait pas possible sans ces adaptations. En général, la taille des cellules est limitée parce que le volume augmente beaucoup plus rapidement que la surface de la cellule. À mesure qu’une cellule devient plus grande, il lui est de plus en plus difficile d’acquérir suffisamment de matériaux pour soutenir les processus à l’intérieur de la cellule, car la taille relative de la surface à travers laquelle les matériaux doivent être transportés diminue.

Malgré leurs similitudes fondamentales, il existe des différences frappantes entre les cellules animales et végétales (figure 3). Les cellules animales ont des centrioles, des centrosomes et des lysosomes, alors que les cellules végétales n’en ont pas. Les cellules végétales possèdent une paroi cellulaire rigide externe à la membrane plasmique, des chloroplastes, des plasmodesmes et des plastes utilisés pour le stockage, ainsi qu’une grande vacuole centrale, alors que les cellules animales n’en possèdent pas.

Chloroplastes

D’un point de vue écologique, les chloroplastes sont un type d’organite particulièrement important car ils réalisent la photosynthèse. La photosynthèse constitue la base des chaînes alimentaires dans la plupart des écosystèmes. Les chloroplastes ne se trouvent que dans les cellules eucaryotes telles que les plantes et les algues. Pendant la photosynthèse, le dioxyde de carbone, l’eau et l’énergie lumineuse sont utilisés pour produire du glucose et de l’oxygène moléculaire. Une différence majeure entre les algues/plantes et les animaux est que les plantes/algues sont capables de fabriquer leur propre nourriture, comme le glucose, alors que les animaux doivent obtenir leur nourriture en consommant d’autres organismes.

Les chloroplastes ont des membranes externe et interne, mais dans l’espace délimité par la membrane interne d’un chloroplaste se trouve un ensemble de sacs membranaires remplis de fluide, interconnectés et empilés, appelés thylakoïdes (figure 4 ci-dessous). Chaque pile de thylakoïdes est appelée un granum (pluriel = grana). Le fluide enfermé par la membrane interne et entourant le grana est appelé le stroma. Chaque structure du chloroplaste a une fonction importante, qui est rendue possible par sa forme particulière. Un thème commun en biologie est que la forme et la fonction sont interdépendantes. Par exemple, les empilements riches en membrane des thylakoïdes offrent une surface suffisante pour intégrer les protéines et les pigments qui sont essentiels à la photosynthèse.

Attribution

« Essentials of Environmental Science » par Kamala Doršner est autorisé sous licence CC BY 4.0. « Levels of Organization of Living Things » par Open Stax est autorisé sous licence CC BY 4.0. Modifié à partir des originaux par Matthew R. Fisher.