4.1 Étudier les cellules
Objectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :
- Décrire le rôle des cellules dans les organismes
- Comparaison et contraste de la microscopie optique et de la microscopie électronique
- Résumer la théorie cellulaire
Une cellule est la plus petite unité d’un être vivant. Qu’il s’agisse d’une cellule (comme une bactérie) ou de plusieurs cellules (comme un humain), nous appelons cela un organisme. Ainsi, les cellules sont les éléments constitutifs de base de tous les organismes.
Plusieurs cellules d’un même type qui s’interconnectent les unes aux autres et remplissent une fonction commune forment des tissus. Ces tissus se combinent pour former un organe (votre estomac, votre cœur ou votre cerveau), et plusieurs organes forment un système organique (comme le système digestif, le système circulatoire ou le système nerveux). Plusieurs systèmes qui fonctionnent ensemble forment un organisme (comme un être humain). Ici, nous examinerons la structure et la fonction des cellules.
Il existe de nombreux types de cellules, que les scientifiques regroupent en deux grandes catégories : procaryotes et eucaryotes. Par exemple, nous classons les cellules animales et végétales comme des cellules eucaryotes, tandis que nous classons les cellules bactériennes comme des cellules procaryotes. Avant de discuter des critères permettant de déterminer si une cellule est procaryote ou eucaryote, nous examinerons d’abord comment les biologistes étudient les cellules.
Microscopie
La taille des cellules varie. À quelques exceptions près, nous ne pouvons pas voir des cellules individuelles à l’œil nu, de sorte que les scientifiques utilisent des microscopes (micro- = « petit » ; -scope = « regarder ») pour les étudier. Un microscope est un instrument qui amplifie un objet. Nous photographions la plupart des cellules au microscope, de sorte que nous pouvons appeler ces images micrographes.
L’optique des lentilles d’un microscope modifie l’orientation de l’image que l’utilisateur voit. Un spécimen à l’endroit et orienté vers la droite sur la lame du microscope apparaîtra à l’envers et orienté vers la gauche lorsqu’on le voit au microscope, et vice versa. De même, si l’on déplace la lame vers la gauche en regardant au microscope, elle semblera se déplacer vers la droite, et si on la déplace vers le bas, elle semblera remonter. Cela se produit parce que les microscopes utilisent deux ensembles de lentilles pour agrandir l’image. En raison de la façon dont la lumière se déplace dans les lentilles, ce système à deux lentilles produit une image inversée (binoculaires ou microscopes à dissection, fonctionnent de la même manière, mais comprennent un système de grossissement supplémentaire qui fait paraître l’image finale comme étant verticale).
Microscopes optiques
Pour vous donner une idée de la taille des cellules, un globule rouge humain typique mesure environ huit millionièmes de mètre ou huit micromètres (abrégé en huit μm) de diamètre. Le bout d’une aiguille mesure environ deux millièmes de mètre (deux mm) de diamètre. Cela signifie que l’on pourrait mettre environ 250 globules rouges sur la tête d’une aiguille.
La plupart des microscopes d’étudiants sont des microscopes optiques (Figure 4.2a). La lumière visible passe et est diffractée par le système de lentilles pour permettre à l’utilisateur de voir l’échantillon. Les microscopes optiques sont avantageux pour observer les organismes vivants, mais comme les cellules individuelles sont généralement transparentes, leurs composants ne peuvent être distingués à moins qu’ils ne soient colorés avec des teintures spéciales. Cependant, la coloration tue habituellement les cellules.
Les microscopes optiques que les étudiants de premier cycle utilisent couramment en laboratoire amplifient jusqu’à 400 fois environ. Deux paramètres importants en microscopie sont le grossissement et le pouvoir de résolution. Le grossissement est le processus d’agrandissement de l’apparence d’un objet. Le pouvoir de résolution est la capacité du microscope à distinguer deux structures adjacentes : plus la résolution est élevée, meilleures sont la clarté et le détail de l’image. Lorsqu’on utilise des lentilles à immersion dans l’huile pour étudier de petits objets, le grossissement augmente habituellement jusqu’à 1 000 fois. Afin de mieux comprendre la structure et la fonction cellulaires, les scientifiques utilisent généralement des microscopes électroniques.
Microscopes électroniques
Contrairement aux microscopes optiques, les microscopes électroniques (Figure 4.2b) utilisent un faisceau d’électrons plutôt qu’un faisceau de lumière. Non seulement cela permet un grossissement plus élevé et, par conséquent, plus de détails (Figure 4.3), mais il fournit également un pouvoir de résolution plus élevé. La méthode de préparation de l’échantillon pour la visualisation au microscope électronique tue l’échantillon. Les électrons ont de courtes longueurs d’onde (plus courtes que les photons) qui se déplacent le mieux dans le vide, de sorte que nous ne pouvons pas voir les cellules vivantes au microscope électronique.
Dans un microscope électronique à balayage, un faisceau d’électrons se déplace d’avant en arrière à travers la surface d’une cellule, ce qui donne les détails des caractéristiques de la surface de la cellule. Dans un microscope électronique à transmission, le faisceau d’électrons pénètre dans la cellule et fournit des détails sur les structures internes d’une cellule. Comme vous pouvez l’imaginer, les microscopes électroniques sont beaucoup plus gros et coûteux que les microscopes optiques.
Théorie cellulaire
Les microscopes que nous utilisons aujourd’hui sont beaucoup plus complexes que ceux que le commerçant néerlandais Antony van Leeuwenhoek utilisait dans les années 1600. Qualifié dans la fabrication de lentilles, van Leeuwenhoek observait les mouvements d’organismes unicellulaires, qu’il appelait collectivement des « animalcules ».
Dans la publication Micrographia de 1665, le scientifique expérimental Robert Hooke a inventé le terme « cellule » pour désigner les structures en forme de boîte qu’il observait lorsqu’il regardait le tissu de liège à travers une lentille. Dans les années 1670, van Leeuwenhoek découvre des bactéries et des protozoaires. Les progrès ultérieurs dans les lentilles, la construction de microscopes et les techniques de coloration ont permis à d’autres scientifiques de voir certains composants à l’intérieur des cellules.
Vers la fin des années 1830, le botaniste Matthias Schleiden et le zoologiste Theodor Schwann étudient les tissus et proposent la théorie des cellules unifiées, selon laquelle une ou plusieurs cellules forment tous les êtres vivants, que la cellule est l’unité de base de la vie et que de nouvelles cellules proviennent de cellules existantes. Rudolf Virchow a par la suite apporté une contribution importante à cette théorie.
