1.2 Thèmes et concepts de la biologie

Objectifs d’apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :

• Identifier et décrire les propriétés de la vie
• Décrire les niveaux d’organisation parmi les êtres vivants
• Reconnaître et interpréter un arbre phylogénétique
• Dresser des exemples de différentes sous-disciplines en biologie

La biologie est la science qui étudie la vie, mais qu’est-ce que la vie exactement ? Cela peut sembler une question absurde avec une réponse évidente, mais il n’est pas toujours facile de définir la vie. Par exemple, une branche de la biologie appelée virologie étudie les virus, qui présentent certaines des caractéristiques des entités vivantes, mais en manquent d’autres. Bien que les virus puissent attaquer les organismes vivants, causer des maladies et même se reproduire, ils ne répondent pas aux critères que les biologistes utilisent pour définir la vie. Par conséquent, les virologues ne sont pas des biologistes, à proprement parler. De même, certains biologistes étudient l’évolution moléculaire précoce qui a donné naissance à la vie. Puisque les événements qui ont précédé la vie ne sont pas des événements biologiques, ces scientifiques sont également exclus de la biologie au sens strict du terme.

Depuis ses débuts, la biologie a été aux prises avec trois questions : Quelles sont les propriétés partagées qui rendent quelque chose « vivant » ? Une fois que nous savons que quelque chose est vivant, comment pouvons-nous trouver des niveaux d’organisation significatifs dans sa structure ? Enfin, face à la remarquable diversité de la vie, comment organiser les différents types d’organismes pour mieux les comprendre ? Au fur et à mesure que les scientifiques découvrent de nouveaux organismes, les biologistes continuent de chercher des réponses à ces questions et à d’autres questions.

Propriétés de la vie

Tous les organismes vivants partagent plusieurs caractéristiques ou fonctions clés : ordre, sensibilité ou réponse à l’environnement, reproduction, adaptation, croissance et développement, régulation / homéostasie, traitement de l’énergie et évolution. Considérées ensemble, ces huit caractéristiques servent à définir la vie.

Organisation

Les organismes sont des structures hautement organisées et coordonnées composées d’une ou de plusieurs cellules. Même les organismes unicellulaires très simples sont remarquablement complexes : à l’intérieur de chaque cellule, les atomes comprennent des molécules. Celles-ci comprennent à leur tour des organites cellulaires et d’autres inclusions cellulaires. Dans les organismes multicellulaires (Figure 1.10), des cellules semblables forment des tissus. Les tissus, à leur tour, collaborent à la création d’organes (structures corporelles ayant une fonction distincte). Les organes travaillent ensemble pour former des systèmes d’organes.

Sensibilité ou réponse aux stimuli

Les organismes réagissent à divers stimuli. Par exemple, les plantes peuvent se pencher vers une source de lumière, grimper sur des clôtures et des murs ou réagir au toucher (Figure 1.11). Même les petites bactéries peuvent se déplacer vers ou s’éloigner des produits chimiques (un processus appelé chimiotaxie) ou de la lumière (phototaxie). Le mouvement vers un stimulus est une réponse positive, tandis que l’éloignement d’un stimulus est une réponse négative.

Reproduction

Les organismes unicellulaires se reproduisent en dupliquant d’abord leur ADN, puis en le divisant également au fur et à mesure que la cellule se prépare à se diviser pour former deux nouvelles cellules. Les organismes multicellulaires produisent souvent des cellules reproductrices spécialisées — gamètes, ovocytes et spermatozoïdes. Après la fécondation (fusion d’un ovocyte et d’un spermatozoïde), un nouvel individu se développe. Lors de la reproduction, l’ADN contenant des gènes est transmis à la progéniture d’un organisme. Ces gènes font en sorte que la progéniture appartiendra à la même espèce et aura des caractéristiques similaires, comme la taille et la forme.

Adaptation

Tous les organismes vivants présentent une « adaptation » à leur environnement. Les biologistes qualifient cet ajustement d’adaptation, et c’est une conséquence de l’évolution par sélection naturelle, qui opère dans chaque lignée d’organismes reproducteurs. Des exemples d’adaptations sont variés et uniques, allant de l’Archaea résistant à la chaleur qui vit dans des sources chaudes en ébullition à la longueur de la langue d’un papillon qui se nourrit de nectar qui correspond à la taille de la fleur dont il se nourrit. Les adaptations améliorent le potentiel reproducteur des individus qui les présentent, y compris leur capacité de survivre pour se reproduire. Les adaptations ne sont pas constantes. À mesure que l’environnement change, la sélection naturelle fait en sorte que les caractéristiques des individus d’une population suivent ces changements.

Croissance et développement

Les organismes se développent en raison de gènes qui fournissent des instructions précises qui orienteront la croissance et le développement cellulaires. Cela permet de s’assurer que les jeunes d’une espèce (Figure 1.12) grandissent et présentent plusieurs des mêmes caractéristiques que leurs parents.

Réglementation et homéostasie

Même les plus petits organismes sont complexes et nécessitent de multiples mécanismes de regulation  pour coordonner les fonctions internes, réagir aux stimuli et gérer les stress environnementaux. Deux exemples de fonctions internes régulées dans un organisme sont le transport des éléments nutritifs et la circulation sanguine. Les organes (groupes de tissus qui travaillent ensemble) remplissent des fonctions précises, comme le transport de l’oxygène dans tout le corps, l’élimination des déchets, l’apport de nutriments à chaque cellule et le refroidissement du corps.

Pour fonctionner correctement, les cellules nécessitent des conditions appropriées telles que la température, le pH et la concentration appropriée de divers produits chimiques. Ces conditions peuvent toutefois changer d’un moment à l’autre. Les organismes sont capables de maintenir des conditions internes dans une fourchette étroite presque constamment, malgré les changements environnementaux, grâce à l’homéostasie (littéralement, l’ « état stable »). Par exemple, un organisme doit réguler la température corporelle par le biais du processus de thermorégulation. Les organismes qui vivent dans les climats froids, comme l’ours blanc (Figure 1.13), ont des structures corporelles qui les aident à résister aux basses températures et à conserver la chaleur corporelle. Les structures qui aident à ce type d’isolation comprennent la fourrure, les plumes, et la graisse. Dans les climats chauds, les organismes ont des méthodes (comme la transpiration chez les humains ou le halètement chez les chiens) qui les aident à évacuer l’excès de chaleur corporelle.

Traitement de l’énergie

Tous les organismes utilisent une source d’énergie pour leurs activités métaboliques. Certains organismes captent l’énergie du soleil et la convertissent en énergie chimique dans les aliments. D’autres utilisent de l’énergie chimique dans les molécules qu’ils consomment comme aliment (Figure 1.14).

Évolution

La diversité de la vie sur Terre est le résultat de mutations ou de changements aléatoires dans le matériel héréditaire au fil du temps. Ces mutations permettent aux organismes de s’adapter à un environnement changeant. Un organisme qui évolue des caractéristiques adaptés à l’environnement aura un plus grand succès reproductif, sous réserve des forces de sélection naturelle.

Niveaux d’organisation des êtres vivants

Les êtres vivants sont très organisés et structurés, suivant une hiérarchie que nous pouvons examiner à une petite ou grande échelle. L’atome est l’unité de matière la plus petite et la plus fondamentale qui conserve les propriétés d’un élément. Il est constitué d’un noyau entouré d’électrons. Les atomes forment des molécules. Une molécule est une structure chimique constituée d’au moins deux atomes maintenus ensemble par une ou plusieurs liaisons chimiques. De nombreuses molécules importantes sur le plan biologique sont des macromolécules, de grosses molécules généralement formées par polymérisation (un polymère est une grosse molécule qui est fabriquée en combinant des unités plus petites appelées monomères, qui sont plus simples que les macromolécules). Un exemple de macromolécule est l’acide désoxyribonucléique (ADN) (Figure 1.15), qui contient les instructions pour la structure et le fonctionnement de tous les organismes vivants.

Certaines cellules contiennent des agrégats de macromolécules entourées de membranes. Nous les appelons organites. Les organites sont de petites structures qui existent à l’intérieur des cellules. Des exemples d’organites comprennent les mitochondries et les chloroplastes, qui remplissent des fonctions indispensables : les mitochondries produisent de l’énergie pour alimenter la cellule, tandis que les chloroplastes permettent aux plantes vertes d’utiliser l’énergie de la lumière solaire pour produire des sucres. Tous les êtres vivants sont faits de cellules. La cellule elle-même est la plus petite unité fondamentale de structure et de fonction chez les organismes vivants. (Cette exigence est la raison pour laquelle les scientifiques ne considèrent pas les virus vivants : ils ne sont pas constitués de cellules. Pour fabriquer de nouveaux virus, ils doivent envahir et détourner le mécanisme reproducteur d’une cellule vivante. Ce n’est qu’alors qu’ils pourront obtenir les matériaux dont ils ont besoin pour se reproduire.) Certains organismes sont constitués d’une seule cellule et d’autres sont multicellulaires. Les scientifiques classent les cellules comme procaryotes ou eucaryotes. Les procaryotes sont des organismes unicellulaires qui n’ont pas de noyau. En revanche, les cellules des eucaryotes ont des organites membranaires et un noyau avec une membrane nucléaire .

Chez les gros organismes, les cellules se combinent pour former des tissus, qui sont des groupes de cellules similaires qui remplissent des fonctions similaires ou connexes. Les organes sont des collections de tissus regroupés et remplissent une fonction commune. Les organes sont présents non seulement chez les animaux, mais aussi chez les plantes. Un système d’organes est un niveau d’organisation supérieur composé d’organes fonctionnellement apparentés. Les mammifères ont de nombreux systèmes d’organes. Par exemple, le système circulatoire transporte le sang à travers le corps. Il comprend des organes tels que le cœur et les vaisseaux sanguins. Les organismes sont des entités vivantes individuelles. Par exemple, chaque arbre d’une forêt est un organisme. Les procaryotes unicellulaires et les eucaryotes unicellulaires sont également des organismes que les biologistes appellent généralement des micro-organismes.

Les biologistes appellent collectivement tous les individus d’une espèce vivant dans une région donnée une population. Par exemple, une forêt peut comprendre de nombreux pins, qui représentent la population de pins de cette forêt. Différentes populations peuvent vivre dans la même zone spécifique. Par exemple, la forêt où se trouvent les pins comprend des populations de plantes florifères, d’insectes et de populations microbiennes. Une communauté est la somme des populations qui habitent une région particulière. Par exemple, tous les arbres, les fleurs, les insectes et les autres populations d’une forêt forment la communauté de la forêt. La forêt elle-même est un écosystème. Un écosystème se compose de tous les êtres vivants d’une zone particulière ainsi que des parties abiotiques et non vivantes de cet environnement, comme l’azote dans le sol ou l’eau de pluie. Au plus haut niveau de l’organisation (Figure 1.16) [lien vers Biology 2e], la biosphère est la collection de tous les écosystèmes et représente les zones de vie sur Terre. Elle comprend la terre, l’eau et même l’atmosphère dans une certaine mesure.

La diversité de la vie

La biologie en tant que science, a une large portée grâce à la grande diversité de la vie sur terre. La source de cette diversité est l’évolution, le processus de changement graduel d’une population ou d’une espèce au fil du temps. Les biologistes évolutionnistes étudient l’évolution des êtres vivants dans tout, du monde microscopique aux écosystèmes.

Un arbre phylogénétique (Figure 1.17) peut résumer l’évolution de diverses formes de vie sur Terre. Il s’agit d’un diagramme montrant les relations évolutives entre les espèces biologiques fondées sur des similitudes et des différences dans les traits génétiques ou physiques ou les deux. Les nœuds et les branches forment un arbre phylogénétique. Les nœuds internes représentent des ancêtres et sont des points d’évolution lorsque, d’après des données scientifiques, les chercheurs croient qu’un ancêtre a divergé pour former deux nouvelles espèces. La longueur de chaque branche est proportionnelle au temps écoulé depuis la scission.

Branches de l’étude biologique

La portée de la biologie est vaste et comporte donc de nombreuses branches et sous-disciplines. Les biologistes peuvent poursuivre l’une de ces sous-disciplines et travailler dans un domaine plus ciblé. Par exemple, la biologie moléculaire et la biochimie étudient les processus biologiques aux niveaux moléculaire et chimique, y compris les interactions entre des molécules telles que l’ADN, l’ARN et les protéines, ainsi que la façon dont elles sont régulées. La microbiologie, l’étude des microorganismes, est l’étude de la structure et de la fonction des organismes unicellulaires. Il s’agit d’une branche assez large en soi, et selon le sujet d’étude, il y a aussi des physiologistes microbiens, des écologistes et des généticiens, entre autres.

Un autre domaine d’étude biologique, la neurobiologie, étudie la biologie du système nerveux et, bien qu’il s’agisse d’une branche de la biologie, il s’agit également d’un domaine d’études interdisciplinaire appelé neurosciences. En raison de sa nature interdisciplinaire, cette sous-discipline étudie différentes fonctions du système nerveux à l’aide d’approches moléculaires, cellulaires, développementales, médicales et informatiques.

La paléontologie, une autre branche de la biologie, utilise des fossiles pour étudier l’histoire de la vie (Figure 1.20). La zoologie et la botanique sont l’étude des animaux et des plantes, respectivement. Les biologistes peuvent également se spécialiser comme biotechnologues, écologistes ou physiologistes, pour ne nommer que quelques domaines. Il ne s’agit là que d’un petit échantillon des nombreux domaines que les biologistes peuvent poursuivre.

La biologie est le point culminant des réalisations des sciences naturelles depuis leur création jusqu’à aujourd’hui. Fait intéressant, c’est le berceau des sciences émergentes, comme la biologie de l’activité cérébrale, le génie génétique des organismes sur mesure et la biologie de l’évolution qui utilise les outils de laboratoire de la biologie moléculaire pour retracer les premiers stades de la vie sur Terre. Une analyse des manchettes, qu’il s’agisse de reportages sur les vaccins, une espèce nouvellement découverte, le dopage sportif ou un aliment génétiquement modifié, démontre à quel point la biologie est active et importante dans notre monde de tous les jours.