Une structure complexe : la cellule vivante

3.1 Introduction : qu'est-ce qui sépare le vivant du non-vivant ?

Posez côte à côte un cristal de sel et une bactérie. Les deux sont faits des mêmes éléments chimiques — le chapitre précédent l'a montré, et le premier chapitre plus encore : il n'existe pas d'atome « vivant ». Les deux sont ordonnés. Les deux ont une forme définie. Et pourtant l'un est du sel et l'autre est vivant. Où passe exactement la frontière ?

La réponse n'est pas dans la matière, elle est dans l'organisation. Un cristal se répète : connaissant une maille, on les connaît toutes. Une cellule ne se répète pas : elle contient des milliers de molécules différentes, réparties en compartiments spécialisés, et surtout elle ne cesse de transformer ce qu'elle contient. Un cristal est une architecture ; une cellule est un chantier. Le cristal est stable parce qu'il ne fait rien. La cellule tient debout parce qu'elle travaille, en permanence, et parce qu'elle échange sans arrêt avec le monde extérieur. Coupez ces échanges, elle meurt.

Ce chapitre s'organise autour de trois questions.

• Comment l'a-t-on su ? La cellule n'est pas une évidence : c'est une découverte, et elle a été suspendue à un instrument. Sans microscope, pas de cellule ; sans microscope électronique, pas d'organites. L'histoire de cette découverte est le meilleur exemple, dans tout le programme, de la façon dont un concept naît d'une technique.
• De quelle taille parle-t-on ? Entre l'atome et l'organisme, il y a dix puissances de dix. Se tromper d'échelle, c'est ne rien comprendre : une confusion d'un facteur mille est ici la règle chez qui débute.
• Qu'est-ce qu'une cellule fait ? Elle est un milieu aqueux, séparé de l'extérieur par une membrane, qui a besoin d'énergie et qui échange en permanence. Cette phrase contient tout le reste du chapitre — y compris la question, étrangement difficile, de savoir si un virus est vivant.

3.2 Voir l'invisible : l'instrument avant le concept

3.2.1 $1665$ : Hooke nomme une chose qu'il ne comprend pas

En $1665$, le savant anglais Robert Hooke publie Micrographia, un recueil d'observations faites au microscope composé qu'il a lui-même perfectionné. Il y examine une fine tranche de liège et y découvre un réseau de petites logettes vides séparées par des cloisons. Il les compare aux cellules d'un monastère et les nomme cells.

L'épisode mérite qu'on s'y arrête. Hooke n'a pas découvert la cellule vivante : le liège est un tissu mort, et ce qu'il voit sont des parois vides. Il n'imagine pas un instant que ces logettes soient l'unité de tous les êtres vivants. Il a seulement donné un nom à une régularité. Ce nom, pourtant, va rester — et ce sont des générations d'observateurs qui, lentement, vont lui donner un sens.

3.2.2 Deux siècles pour passer de l'observation à la théorie

Trois siècles d'aller-retour entre les instruments et les idées. Chaque saut

conceptuel — le concept de cellule, la théorie cellulaire, l'exploration de l'intérieur de la cellule — suit de peu un progrès technique. La science n'avance pas seulement par de nouvelles idées : elle avance aussi par de

nouveaux yeux.

$1674$ — Leeuwenhoek voit bouger.

Antonie van Leeuwenhoek, drapier de Delft, n'est ni universitaire ni médecin. Il polit lui-même de minuscules lentilles sphériques et construit des microscopes simples, à une seule lentille, qui atteignent des grossissements de l'ordre de deux cents fois — bien supérieurs à ceux de Hooke. Dans une goutte d'eau de mare, il découvre un monde grouillant qu'il appelle animalcules. En $1683$, il observe, dans le tartre de ses propres dents, ce que nous appelons aujourd'hui des bactéries. Il communique tout cela à la Royal Society de Londres, dans des lettres en néerlandais, sans jamais publier de traité. On lui demande de recommencer devant témoins : il le fait. La science exige la reproductibilité, et elle l'exige d'autant plus fermement que le résultat est extraordinaire.

$1831$ — Brown voit le noyau.

Le botaniste écossais Robert Brown, en examinant des cellules d'orchidées, remarque dans chacune un corpuscule constant, qu'il nomme nucleus, le noyau. Pour la première fois, la cellule n'est plus une case vide : elle a un contenu structuré.

$1838$-$1839$ — Schleiden et Schwann généralisent.

Matthias Schleiden montre en $1838$ que tous les tissus végétaux sont formés de cellules. L'année suivante, Theodor Schwann, physiologiste, étend la conclusion aux animaux, y compris à des tissus où l'organisation cellulaire n'est pas évidente, comme le cartilage ou l'os. La théorie cellulaire est née : tout être vivant est constitué d'une ou plusieurs cellules. C'est une unification comparable, dans son ambition, à celle que Newton avait opérée entre la chute des corps et le mouvement des planètes.

$1855$ — Virchow ferme le cercle.

Reste une question : d'où vient une cellule ? Schwann pensait encore qu'elles pouvaient se former par cristallisation à partir d'un fluide. Rudolf Virchow tranche par une formule restée célèbre : omnis cellula e cellula, « toute cellule provient d'une cellule ». La théorie cellulaire prend alors sa forme définitive et devient aussi une théorie de la filiation : il n'y a pas de commencement spontané.

$1861$ — Pasteur enterre la génération spontanée.

L'affirmation de Virchow demandait une preuve expérimentale. Louis Pasteur la fournit avec ses ballons à col de cygne : un bouillon nutritif bouilli puis laissé au contact de l'air, mais dont le col recourbé retient les poussières, ne se trouble pas — pendant des mois. Cassez le col, et il se trouble en quelques heures. La conclusion est nette : les micro-organismes ne naissent pas du bouillon, ils viennent de l'air. L'expérience est un modèle du genre, parce qu'elle ne supprime pas seulement une hypothèse : elle isole un seul facteur, le contact avec les poussières, tout le reste étant identique.

3.2.3 Le microscope électronique ouvre l'intérieur

En $1931$, Ernst Ruska et Max Knoll construisent le premier microscope électronique : au lieu de lumière, il utilise un faisceau d'électrons, dont la « longueur d'onde » associée est des milliers de fois plus courte. Dès $1933$ l'instrument dépasse le microscope optique ; il atteindra le dixième de nanomètre, c'est-à-dire la taille d'un atome. Ruska recevra le prix Nobel de physique en $1986$, cinquante-cinq ans après son invention.

Ce que l'on découvre alors change tout. La cellule n'est pas un sac homogène : elle est compartimentée en organites, chacun spécialisé. Et surtout, on peut enfin relier ce que l'on voit — une membrane de huit nanomètres d'épaisseur — à ce que la chimie décrit — une double couche de molécules de lipides. L'échelle cellulaire et l'échelle moléculaire se rejoignent.

3.3 Les échelles du vivant

3.3.1 Dix puissances de dix

Les ordres de grandeur du vivant, de l'atome à l'organisme, et ce que chaque

instrument permet d'atteindre. Les zones se recouvrent : le microscope optique voit la cellule et les plus gros organites, mais pas les virus ni les molécules. C'est exactement la raison pour laquelle les virus sont

restés invisibles jusqu'en $1939$.