Chapitre 1

L’organisme pluricellulaire

I) Êtres vivants unicellulaires et pluricellulaires

A) Une ou plusieurs cellules

Les fonctions vitales des organismes vivants

Pour survivre et se développer, les organismes vivants doivent accomplir une série de fonctions essentielles. Cela comprend la nutrition, la reproduction, l'interaction avec leur environnement et, dans certains cas, la mobilité.

Les organismes unicellulaires

Il existe des organismes qui sont constitués d'une seule cellule, appelés unicellulaires. Ces organismes appartiennent à divers groupes et la structure de leur cellule unique peut varier considérablement. Dans ces organismes unicellulaires, toutes les fonctions vitales sont réalisées par cette unique cellule.

Les organismes pluricellulaires et leurs organes

En revanche, les organismes pluricellulaires, qui sont composés de plusieurs cellules, ont des structures plus complexes pour accomplir leurs fonctions vitales. Ces structures, appelées organes, sont spécialisées dans l'exécution d'une fonction spécifique. Par exemple, dans le corps humain, nous avons des organes tels que le cerveau, le cœur, les poumons, l'estomac, l'intestin, les muscles, les gonades, etc. Ces organes sont souvent regroupés en systèmes fonctionnels, comme le système nerveux, le système digestif, le système circulatoire, le système reproducteur, etc.

Les fonctions des différentes parties des plantes

Chez les plantes, différentes parties de la plante sont responsables de différentes fonctions. Les racines, les tiges et les feuilles sont principalement impliquées dans la nutrition, tandis que les fleurs, les fruits et les graines sont spécialisés dans la reproduction. Chaque partie de la plante joue un rôle crucial dans le maintien de la vie de la plante et sa capacité à se reproduire et à interagir avec son environnement.

B) L'organisme pluricellulaire : un ensemble de cellules spécialisées

L'unité fondamentale de la vie : la cellule

Tous les êtres vivants, qu'ils soient composés d'une seule cellule (unicellulaires) ou de plusieurs (pluricellulaires), sont construits à partir d'une unité structurale fondamentale : la cellule. Cette constatation souligne l'unité universelle du monde vivant.

Structure et dimensions d'une cellule

Une cellule typique est un espace délimité par une membrane, observable au microscope optique. Les dimensions d'une cellule animale varient généralement de quelques micromètres (1 μm = 10-6 m) à quelques dizaines de micromètres. Les cellules végétales, en revanche, sont souvent plus grandes, atteignant jusqu'à 200 μm.

Le cytoplasme et ses organites

Le contenu de la cellule, appelé cytoplasme, contient divers éléments nommés organites. Leur taille est généralement de l'ordre du picomètre (pm) ou de quelques micromètres. Certains organites, comme le noyau cellulaire ou les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, sont visibles au microscope optique. Cependant, l'utilisation du microscope électronique révèle une plus grande diversité d'organites dans le cytoplasme, y compris les mitochondries et de nombreux autres.

Spécialisation cellulaire chez les êtres pluricellulaires

Chez les êtres vivants pluricellulaires, toutes les cellules ne sont pas identiques. Elles se distinguent par leur forme, les organites qu'elles contiennent, ainsi que les molécules qu'elles possèdent ou produisent. On dit que ces cellules sont spécialisées, une caractéristique qui est directement liée à leur fonction spécifique. Par exemple, un neurone, un globule rouge ou une cellule chlorophyllienne sont des exemples de cellules spécialisées.

Diversité des types cellulaires dans l'organisme humain

Ainsi, on estime qu'un être humain est constitué d'environ 30 000 milliards (3.1013) de cellules, qui appartiennent à plus de 250 types cellulaires différents. Cette diversité cellulaire témoigne de la complexité et de la richesse du monde vivant.

C) Différents niveaux d'organisation

La matière du vivant : une structure moléculaire

Tout comme la matière minérale, la matière du vivant est constituée de molécules, qui sont des assemblages d'atomes. Les cellules sont particulièrement riches en macromolécules, c'est-à-dire des molécules de grande dimension, formées par l'assemblage de molécules élémentaires plus simples. C'est le cas, par exemple, des protéines ou des glucides comme l'amidon et le glycogène. Cependant, les molécules sont trop petites pour être observées, même avec un microscope électronique, leur taille étant de l'ordre du nanomètre (1 nm = 10-9 m, soit 1/1000 de μm).

Les tissus chez les organismes pluricellulaires

Chez les organismes pluricellulaires, les cellules d'un même type sont généralement associées pour former un ensemble fonctionnel appelé tissu. Par exemple, on parle de tissu épidermique pour qualifier l'assemblage des cellules de l'épiderme formant un ensemble protecteur. Diverses molécules, situées dans la matrice extracellulaire, c'est-à-dire dans l'espace séparant les cellules, assurent l'adhérence et la cohésion des cellules appartenant à un même tissu.

Les organes : des structures complexes

Un organe est une structure complexe, généralement constituée de plusieurs tissus qui participent à la réalisation d'une même fonction. Par exemple, une feuille est un organe qui associe un tissu épidermique, un tissu chlorophyllien, un tissu conducteur de sève, etc. De même, la peau est un organe qui associe un épiderme résistant, le tissu conjonctif du derme ainsi que des follicules pileux, des glandes sécrétrices, des récepteurs sensoriels, etc.

L'organisme : un être organisé

On donne le nom d'organisme à un être organisé accomplissant les fonctions de la vie, qu'il soit unicellulaire ou pluricellulaire. Cela souligne la complexité et la diversité du monde vivant, où chaque organisme, chaque organe, chaque tissu et chaque cellule joue un rôle spécifique et essentiel.

II) L'ADN, support de l'information génétique

A) Une information exploitable par les cellules

L'Organisation de l'Information Génétique

L'information génétique qui guide le fonctionnement d'une cellule est organisée en unités distinctes appelées gènes. Ces gènes sont constitués d'acide désoxyribonucléique, plus communément connu sous le nom d'ADN. Un gène, qui est un segment spécifique d'ADN, sert d'unité d'information. Il contient les instructions nécessaires pour la réalisation d'une fonction particulière au sein de la cellule.

Les Expériences de Transfert de Gène

Les expériences de transfert de gène sont des outils précieux pour comprendre la nature et le rôle d'un gène. En transférant un fragment d'ADN d'un individu à un autre, l'organisme receveur acquiert une nouvelle capacité : il peut utiliser ce gène pour exprimer une caractéristique qu'il ne possédait pas auparavant.

Prenons l'exemple du gène responsable de la bioluminescence chez certaines méduses. Lorsque ce fragment d'ADN est transféré dans une cellule-oeuf de souris, il est ensuite transmis à toutes les cellules de l'organisme au fur et à mesure des divisions cellulaires. Les cellules de la souris peuvent alors utiliser ce gène, comme si c'était l'un des leurs, pour produire une substance qui émet de la lumière. Ainsi, ces cellules acquièrent la capacité de bioluminescence.

L'universalité de l'ADN

Le succès de ces expériences de transfert de gène entre différentes espèces démontre l'universalité de l'ADN. C'est cette molécule qui est utilisée par tous les êtres vivants pour coder leurs informations génétiques. Quelle que soit l'espèce, l'ADN sert de support universel pour l'information génétique, soulignant ainsi l'unité fondamentale de la vie sur Terre.

B) La structure de l'ADN

L'ADN : Structure et Composition

L'ADN, ou Acide Désoxyribonucléique, est une molécule longue et complexe qui est composée de nombreuses petites unités appelées nucléotides. Pour donner une idée de la taille de cette molécule, l'ensemble des molécules d'ADN d'une seule cellule humaine contient plus de 6 milliards de paires de nucléotides.

Il existe quatre types de nucléotides, qui sont identifiés par les lettres A, T, C et G. Ces lettres sont les initiales de leur composé principal : Adénine, Thymine, Cytosine et Guanine.

La Double Hélice d'ADN

Ces nucléotides s'assemblent pour former deux longues chaînes en forme d'hélice qui s'entrelacent. La disposition des nucléotides entre les deux chaînes suit une règle spécifique : à chaque nucléotide A d'une chaîne est associé un nucléotide T sur l'autre chaîne, et vice versa. De même, chaque nucléotide C est associé à un nucléotide G, et vice versa. C'est pour cette raison que les deux chaînes sont qualifiées de complémentaires.

Le Gène : Unité d'Information Génétique

Un gène est une longue séquence de paires de nucléotides complémentaires. La longueur moyenne d'un gène est de quelques dizaines de milliers de paires de nucléotides, bien que le plus grand gène connu dans l'espèce humaine compte plus de 2 millions de paires de nucléotides. Une seule molécule d'ADN peut comporter plusieurs centaines ou milliers de gènes, chacun codant pour une fonction spécifique au sein de l'organisme.

C) Une cellule spécialisée n'exprime qu'une partie de son ADN

La Diversité des Séquences de Nucléotides

Lorsque l'on compare deux gènes, on constate que leur séquence de nucléotides n'est pas identique. En effet, c'est l'ordre spécifique dans lequel les nucléotides se succèdent sur une séquence qui constitue le message codé d'un gène. Ainsi, la structure même de l'ADN lui confère la capacité de porter une quantité illimitée d'informations.

Le Développement Embryonnaire et l'Expression Génétique

Toutes les cellules d'un individu proviennent d'une cellule œuf par divisions successives. Au cours du développement embryonnaire d'un organisme pluricellulaire, il se forme d'abord un ensemble de cellules peu ou pas différenciées, toutes portant la même information génétique initiale. Cependant, il est important de distinguer l'information génétique et l'expression de cette information : un gène est une potentialité, une information qui peut être utilisée mais aussi rester inexploitée.

Au fur et à mesure du développement embryonnaire, certains gènes commencent à s'exprimer dans certaines cellules, tandis que d'autres gènes s'expriment dans d'autres parties de l'embryon. Tout au long de la vie, les cellules utilisent certains gènes pour produire leurs propres molécules : on dit que les gènes s'expriment. Peu à peu, les cellules acquièrent des différences et se spécialisent.

La Différenciation Cellulaire

Les cellules sanguines sont un bon exemple de cette différenciation : dans la moelle osseuse, des cellules souches non différenciées se multiplient constamment. Ces cellules se spécialisent ensuite en exprimant spécifiquement certains gènes : certaines deviendront des hématies, d'autres des globules blancs, etc.

Avec la même information génétique, certaines cellules deviennent des neurones, d'autres des cellules de la peau, etc. Ainsi, les cellules spécialisées n'expriment qu'une petite partie de l'ADN présent dans la cellule (de l'ordre de 1 à 2 % pour une cellule à un moment donné). C'est ce qui explique l'existence, chez un organisme pluricellulaire, de nombreux types cellulaires différents (plus de 250 dans l'espèce humaine).