I- L’histoire de la théorie cellulaire : un modèle de construction du savoir scientifique
La théorie cellulaire. est un ensemble de 3 affirmations concernant tous les êtres vivants :
- La cellule est la plus petite structure autonome du vivant
- Tous les êtres vivants sont formés d’au moins une cellule
- Toutes les cellules sont issues d’une autre cellule par division cellulaire.
Si cette théorie est aujourd’hui communément admise par l’ensemble de la communauté scientifique, cela n’a pas toujours été le cas.
L’élaboration de cette théorie a fait intervenir de nombreux débats, des expériences, des collaborations entre scientifiques et a nécessité des avancées techniques.
Ainsi, l’histoire de la théorie cellulaire illustre les différentes étapes qui peuvent aboutir à la construction d’un savoir scientifique.
Comment la théorie cellulaire a-t-elle été mise en place et démontrée ?
ACTIVITE 2 – ELABORATION DE LA THEORIE CELLULAIRE
–> Rappels : la méthode scientifique
A- L’invention de techniques et d’outils adaptés : les microscopes
Afin de déterminer que les êtres vivants sont faits de cellules, il faut pouvoir les observer
L’invention du microscope a donc été une avancée majeure dans l’établissement de la théorie cellulaire.
Le premier microscope a été mis au point en 1595 par Zaccharias Jansen et permettait de grossir 10 fois les objets observés
Depuis, la mise au point de microscopes de plus en plus performants a permis d’observer le vivant et d’en déduire la théorie cellulaire.
Aujourd’hui, différents types de microscopes sont adaptés à différents usages :
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Le microscope optique (MO) permet de voir des cellules grâce à des lentilles qui courbent la lumière.
Il faut pour cela faire des coupes très fines des êtres vivants, pour que la lumière traverse les cellules.
Sa résolution est de 10 µm à 1 mm
- Les microscopes électroniques (ME) permettent de voir les grosses molécules et les organites à l’intérieur des cellules grâce à l’utilisation de faisceaux d’électrons. Leur résolution est de 1nm à 10 µm.
Le ME à Balayage (MEB) permet de voir en relief de l’extérieur des cellules
Le ME à transmission (MET) permet de voir à l’intérieur des cellules
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- Les microscopes à effet tunnel et à force atomique permettent d’observer les atomes et petites molécules Leur résolution est de 0,1nm à 10 nm
L’invention du microscope a permis la découverte des cellules, et le perfectionnement des microscope a permis de progresser sur la connaissance de leur structure, leur fonctionnement : On montre ici une corrélation directe entre la technique et les sciences.
B- Des preuves expérimentales et des coopérations entre scientifiques
Le développement des microscopes a permis :
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- A Robert Hooke d’inventer le mot cellule en observant du liège (cellules mortes) en 1665
- A Théodor Schwann d’observer que tous les végétaux sont faits de cellules en 1838
- A Mathias Schleiden d’observer que tous les animaux sont faits de cellules en 1839
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La coopération scientifique entre Schwann et Schleiden leur a permis d’affirmer que tous les êtres vivants sont faits de cellule (2° affirmation de la théorie cellulaire).
Les diverses observations microscopiques au cours du temps ont montré la première affirmation de la théorie : la cellule est le plus petit objet vivant autonome.
C- La théorie de la génération spontanée réfutée par l’expérience.
De l’antiquité jusqu’aux années 1950 la théorie la plus répandue était la théorie de la génération spontanée, qui indiquait que les cellules naissaient de matière inerte ou de matière en décomposition.
Cette théorie venait à l’origine d’un dogme religieux, et a ensuite été démontrée par des expériences qu’on sait aujourd’hui être peu rigoureuses.
Schéma de l’expérience de Pouchet, démontrant la génération spontanée :
Dans cette expérience, Pouchet ne réalise pas de témoin.
Son expérience manque donc de la rigueur nécessaire pour que les résultats soient valables.
En 1858, Rudolf Virchow propose l’hypothèse qu’une cellule ne peut apparaitre que par la division cellulaire d’une autre cellule et que la théorie de la génération spontanée est fausse. Il réalise de nombreuses observations pour le prouver.
En 1861, Louis Pasteur a démontré par une expérience plus rigoureuse que celle de Pouchet, que la génération spontanée n’avait pas lieu, et que les êtres vivants ne pouvaient pas apparaitre de matière inerte. Il a ainsi confirmé la théorie de Virchow et établi la troisième affirmation de la théorie cellulaire.
II- La membrane plasmique : lien entre l’organisation moléculaire et l’organisation cellulaire.
Les cellules sont entourées d’une membrane cellulaire qui les isole du milieu extérieur.
Cette membrane doit donc empêcher le passage de molécules.
Cependant, la cellule échange des molécules et de l’énergie avec le milieu extérieur ce qui lui permet de fonctionner : la membrane doit donc également être perméable à certaines molécules.
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Comment est structurée la membrane plasmique ?
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Comment cette structure permet-elle le passage ou non de certaines molécules ?
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Activité – Organisation de la membrane plasmique
A- Organisation des molécules dans la membrane plasmique
La membrane plasmique est une structure de 7,5 nm, formée principalement de molécules appelées les phospholipides
Ces lipides possèdent une tête hydrophile et une queue hydrophobe :
Schéma d’un phospholipide :
Les têtes hydrophiles des PL vont donc s’orienter vers le milieu extérieur et le cytoplasme qui sont tous deux composés d’eau et les queues hydrophobes des PL vont se regrouper vers l’intérieur de la membrane, ce qui leur permet d’être isolées de l’eau
Ainsi, la structure des phospholipides impose que la membrane soit formée d’une bicouche (= 2 couches) de lipides qui sont face-à-face.
La membrane plasmique contient également des protéines qui peuvent être :
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- Extrinsèques : Attachées à l’extérieur ou à l’intérieur de la cellule
- Transmembranaires : Constituées de domaines intrinsèques et extrinsèques.
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C’est la composition des protéines qui détermine leur disposition :
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- Si elles sont hydrophiles : elles seront extrinsèques
- Si elles ont des domaines hydrophiles et d’autres hydrophobes : elles auront des parties incluses dans la membrane et d’autres parties qui dépassent.
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Des molécules de glucides et de lipides sont aussi attachées à la membrane plasmique, coté extérieur de la cellule : elles servent de signaux cellulaires (exemple : marqueur des groupes sanguins)
SCHEMA D’UNE MEMBRANE PLASMIQUE
B- La structure moléculaire de la membrane plasmique détermine ses propriétés.
L’organisation des phospholipides de la membrane plasmique empêche les molécules de la traverser : les grosses molécules et les molécules hydrophobes sont bloquées par les têtes hydrophiles des PL et les molécules hydrophiles sont bloquées par les queues hydrophobes.
Ce sont des protéines, appelées canaux moléculaires, qui permettent aux molécules nécessaires de traverser la membrane.
Ces protéines possèdent un domaine hydrophile, qui crée un tunnel dans la membrane par lequel les molécules peuvent passer.
Ces protéines permettent donc les échanges d’eau, de glucose et de toutes les molécules nécessaires à la cellule.