La cellule, unité du vivant

Pour observer des cellules, on prépare un échantillon très fin (une coupe) ou on isole quelques cellules, que l'on dépose entre lame et lamelle dans une goutte d'eau ou de colorant (une préparation microscopique). On procède ainsi :

• Placer la préparation sur la platine du microscope, côté lamelle vers l'objectif.
• Commencer par le plus faible grossissement (objectif $\times 4$ ou $\times 10$) pour repérer la zone à observer.
• Faire la mise au point à l'aide de la vis macrométrique, puis affiner avec la vis micrométrique.
• Passer progressivement à un objectif plus fort ($\times 40$, voire $\times 100$ à l'huile à immersion) pour distinguer les cellules puis leurs organites.
• Estimer une taille réelle à partir du grossissement total (produit du grossissement de l'oculaire et de celui de l'objectif) ou à l'aide d'une échelle.

Sur une photographie ou un schéma légendé d'une échelle (un segment associé à une longueur réelle connue, par exemple $20\mu \mathrm{m}$), on mesure au réglet :

• la longueur ${\ell }_{\text{eˊchelle}}$ du segment-échelle sur le document (en mm ou cm) ;
• la longueur ${\ell }_{\text{objet}}$ de la structure à mesurer sur le même document, avec la même unité.

On en déduit la taille réelle $T$ de l'objet par un produit en croix :

$$T=\frac{{\ell }_{\text{objet}}}{{\ell }_{\text{eˊchelle}}}\times T_{\text{eˊchelle}}$$

où $T_{\text{eˊchelle}}$ est la longueur réelle représentée par le segment-échelle.

• Une cellule eucaryote (animale ou végétale) mesure typiquement entre $10\mu \mathrm{m}$ et $100\mu \mathrm{m}$.
• Une bactérie (cellule procaryote) est beaucoup plus petite : de l'ordre de $1\mu \mathrm{m}$ à quelques micromètres.
• Un noyau cellulaire mesure quelques micromètres ($\approx 5\mu \mathrm{m}$ à $10\mu \mathrm{m}$).
• Le microscope optique permet de distinguer la cellule et ses grands organites (grossissement jusqu'à $\times 1000$ environ, limité par la longueur d'onde de la lumière visible).
• Le microscope électronique atteint des grossissements bien supérieurs (plusieurs centaines de milliers de fois) et permet d'observer le détail fin des organites, voire de grosses molécules.

Deux cas se présentent :

• les organismes unicellulaires, formés d'une seule cellule qui assure, à elle seule, toutes les fonctions du vivant (exemple : une bactérie, une levure, une amibe) ;
• les organismes pluricellulaires, formés de très nombreuses cellules (plusieurs dizaines de milliers de milliards, de l'ordre de 30 000 milliards, chez l'être humain adulte) qui coopèrent et se répartissent les fonctions.

Dans les deux cas, la cellule reste l'unité de base : aucune structure plus petite qu'elle n'est, isolément, capable des propriétés du vivant.

La membrane plasmique délimite la cellule, mais elle ne l'isole pas de l'extérieur : c'est une frontière sélective à travers laquelle la cellule échange en permanence avec son environnement. On dit que la cellule est un système ouvert. Ces échanges portent sur :

• de la matière : entrée de nutriments, d'eau, d'ions et de gaz (comme le dioxygène), rejet de déchets et d'autres gaz (comme le dioxyde de carbone) ;
• de l'énergie : énergie lumineuse captée par les cellules chlorophylliennes, énergie chimique contenue dans les nutriments ;
• de l'information : signaux chimiques ou physiques venus du milieu, auxquels la cellule réagit.

C'est parce qu'elle prélève de la matière et de l'énergie, et parce qu'elle perçoit des informations, que la cellule peut se nourrir, croître, se reproduire et réagir. La membrane assure ainsi à la fois la délimitation de la cellule et le contrôle de ces échanges.

• Taille très réduite (de l'ordre du micromètre).
• Absence de noyau et, plus généralement, absence d'organites délimités par une membrane.
• ADN circulaire libre dans le cytoplasme.
• Présence d'une paroi rigide externe à la membrane plasmique, qui protège la cellule.

• La membrane plasmique : fine enveloppe qui délimite la cellule et contrôle les échanges avec le milieu extérieur.
• Le cytoplasme : milieu intérieur liquide dans lequel baignent les organites.
• Le noyau : contient l'ADN, porteur de l'information génétique ; il dirige l'activité de la cellule.
• Les mitochondries : petits organites en forme de bâtonnets, sièges de la respiration cellulaire, qui produisent l'essentiel de l'énergie utilisable par la cellule (voir chapitre 3, le métabolisme).

En plus des organites communs, une cellule végétale possède :

• une paroi rigide, faite de cellulose, externe à la membrane plasmique, qui donne sa forme à la cellule et soutient les tissus végétaux ;
• une grande vacuole, poche remplie de suc vacuolaire (eau, sels minéraux, pigments), qui occupe souvent la majeure partie du volume cellulaire ;
• des chloroplastes, organites verts (grâce à la chlorophylle qu'ils contiennent), sièges de la photosynthèse : ils captent l'énergie lumineuse pour fabriquer de la matière organique.

La cellule animale, elle, ne possède ni paroi, ni chloroplaste, et sa vacuole (quand elle existe) est petite.

Les divisions successives de la cellule-œuf produisent des cellules filles qui reçoivent chacune une copie identique de l'ADN présent dans la cellule-œuf. Ainsi, toutes les cellules d'un même individu possèdent le même patrimoine génétique (le même ADN), qu'il s'agisse d'une cellule de peau, de muscle ou de neurone.

Un organisme pluricellulaire s'organise selon une hiérarchie d'échelles croissantes :

$$\text{cellule}⟶\text{tissu}⟶\text{organe}⟶\text{organisme}$$

Par exemple, des cellules musculaires cardiaques forment le tissu musculaire cardiaque ; associé à du tissu nerveux et à du tissu conjonctif, il constitue l'organe cœur ; le cœur, associé aux vaisseaux sanguins, participe à l'organisme entier.

• La cellule est la plus petite unité structurale et fonctionnelle du vivant, délimitée par une membrane plasmique et contenant un cytoplasme.
• La membrane plasmique fait de la cellule un système ouvert, qui échange en permanence matière, énergie et information avec son environnement.
• Un organisme est unicellulaire (une seule cellule assure toutes les fonctions) ou pluricellulaire (fonctions réparties entre de nombreuses cellules).
• On distingue la cellule procaryote (sans noyau, ADN libre dans le cytoplasme — les bactéries) de la cellule eucaryote (avec un noyau individualisé et des organites, dont la mitochondrie) ; la cellule végétale possède en plus paroi, vacuole et chloroplastes.
• Toutes les cellules d'un organisme pluricellulaire proviennent, par divisions successives, d'une unique cellule-œuf, et possèdent donc le même patrimoine génétique.
• La différenciation cellulaire explique la diversité des cellules spécialisées (musculaire, nerveuse, épidermique, …) qui s'organisent en tissus, eux-mêmes associés au sein d'organes.
• Le fonctionnement biochimique de la cellule (nutrition, production d'énergie) sera détaillé au chapitre 3, consacré au métabolisme.