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3 pour tous

La cellule : unité du vivant

Les vivants sont tous composés de cellules. Si quelques cellules sont visibles à l’œil nu comme 1 mm

les œufs d’oiseaux ou de grenouilles, ou à la loupe comme les cellules du labelle des minuscules fleurs de l'orchidée Spiranthes cernua, la plupart des cellules sont beaucoup plus petites que le point qui termine cette phrase.

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de…

100 μm

SAVOIR

SAVOIR FAIRE

a) Définir et utiliser les mots-clés apparaissant en rouge dans ce chapitre. b) Caractériser et schématiser les cellules eucaryotes et les cellules procaryotes. c) Caractériser les différents microscopes, donner leurs domaines d’utilisation et leurs limites. d) Décrire la structure des différents constituants de la cellule. e) Schématiser l’ultrastructure de la membrane cytoplasmique, de la mitochondrie, du chloroplaste et du noyau. f) Associer une fonction aux principales structures de la cellule.

a) Comparer l’ordre de grandeur de la taille des molécules, des bactéries, des cellules animales et végétales. b) Identifier, comparer et schématiser les différents types de cellules et leurs organites, sur base de documents photographiques et de schémas. c) Utiliser le microscope optique et réaliser des dessins d’observation.

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1. La cellule 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5

La cellule peut constituer à elle seule un organisme unicellulaire ou s’assembler avec d’autres cellules et former un organisme pluricellulaire.

2. La cellule en microscopie optique Deux grands types cellulaires se rencontrent dans le monde vivant. • La cellule eucaryote (du grec eu : bien et karyon : noyau) renferme un noyau et des organites responsables de fonctions bien précises. La taille des cellules eucaryotes varie d’une dizaine à quelques centaines de micromètres (µm). La cellule eucaryote est l’unité de base des êtres vivants pluricellulaires et de nombreux unicellulaires.

La levure Saccharomyces cerevisiae, mycète unicellulaire, est utilisée dans la fabrication du pain et de la bière.

Parmi les globules rouges d’un frottis sanguin humain coloré, trois globules blancs présentent un noyau à plusieurs lobes, entouré d’une multitude d’organites dans le cytoplasme.

Une feuille de mousse est composée de nombreuses cellules.

La plupart des organismes unicellulaires vivent dans des milieux aqueux ou humides où sont dissoutes les substances nécessaires à leur survie. Leur membrane cellulaire sépare la cellule du monde extérieur et c’est par elle que les échanges se font. Les substances nutritives et le dioxygène diffusent du milieu extérieur vers la cellule tandis que les déchets sont rejetés dans ce milieu via cette même membrane. Chez les organismes pluricellulaires, les cellules baignent dans un liquide, le liquide interstitiel. Bien que chaque cellule soit capable d’accomplir les fonctions essentielles, elle ne peut se suffire à elle-même. Une cellule musculaire est incapable de se procurer les substances nutritives et le dioxygène qui lui sont nécessaires car elle est trop éloignée du milieu extérieur. Cette fonction est réalisée par d’autres cellules spécialisées.

• La cellule procaryote (du latin pro : avant et du grec karyon : noyau) ne contient pas de noyau ni d’organite. Elle renferme cependant de l’ADN et contient tous les outils enzymatiques nécessaires au métabolisme cellulaire. La taille de ces cellules est de l’ordre du micromètre. Les bactéries sont des cellules procaryotes; elles sont isolées ou forment des agrégats ou des filaments de quelques cellules.

Frottis de yaourt maigre, coloré au bleu de méthylène On distingue des bactéries allongées en bâtonnets (bacilles), Lactobacillus bulgaricus, et des formes sphériques (coques), Streptococcus thermophilus, souvent associées en filaments.

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Structure cellulaire des eucaryotes Cellule végétale

Cellule animale vacuole paroi cellulosique membrane cytoplasmique noyau cytoplasme

50 μm

50 μm

chloroplastes

Cellules non colorées de feuille d’élodée à feuilles alternes (Lagarosiphon major)

Frottis de cellules de l’épithélium buccal humain, colorées au bleu de méthylène

La paroi cellulosique Elle est constituée d’une substance propre aux plantes, la cellulose, qui donne sa rigidité à la cellule.

Absente

La membrane cytoplasmique Elle délimite le contenu de la cellule et règle les échanges de matière avec le milieu extérieur. Le cytoplasme Il consiste en une gelée, le cytosol, qui contient de l’eau, des substances minérales et des substances organiques (surtout des protéines) et dans lequel baignent de nombreux organites. Le noyau C’est une unité, généralement sphérique, délimitée par une enveloppe nucléaire. Il est le centre organisateur qui contient, sous forme d’ADN, le plan nécessaire à la synthèse des substances biochimiques indispensables à la cellule et à la transmission du patrimoine héréditaire. La (les) vacuole(s) C’est une unité de grande taille, qui occupe la majorité du volume de la cellule mature. Elle contient essentiellement de l’eau. L’entrée de l’eau dans la vacuole provoque son gonflement (turgescence); la pression ainsi exercée sur la membrane cytoplasmique assure la rigidité de la cellule et permet sa croissance rapide. La vacuole sert également au stockage de réserves glucidiques et protéiques, de pigments ou de déchets toxiques.

Ce sont des unités généralement de petite taille chez la cellule mature, ayant diverses fonctions (digestion, sécrétion…). Elles peuvent être si petites qu’elles ne sont pas visibles au microscope optique. On les nomme aussi vésicules.

Les plastes Ce sont des unités qui contiennent des substances de réserve ou des pigments. Les chloroplastes, responsables de la photosynthèse, renferment les chlorophylles.

Absents

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3. L’échelle du vivant

Docs +

1 µm : un micromètre 1 nm : un nanomètre 1 pm : un picomètre

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Laboratory of Tumor Virus Biology

Les virus sont invisibles au microscope optique. Leur taille est de l’ordre de 10 à 100 nm. Ce sont des assemblages de macromolécules incapables de réaliser seuls les principales fonctions caractéristiques des êtres vivants comme la croissance et la reproduction. Pour se reproduire, ils doivent s’introduire dans une cellule et détourner ses structures à leur profit, causant ainsi des maladies.

Le virus du papillome humain est responsable de verrues génitales et cutanées.

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4. En sait-on plus sur la cellule ? 4.1. Les instruments d’observation 3-6

• Le microscope électronique à transmission (M.E.T.), avec un pouvoir de résolution 1000 fois plus élevé que celui du microscope optique, donne des images très précises de l’organisation cellulaire ainsi que de l’ultrastructure cellulaire, c’est-à-dire de la structure des différents organites. Les traitements nécessaires à la préparation des échantillons ne permettent pas d’observer des cellules entières, ni vivantes.

La précision des instruments d’observation dépend de leur pouvoir de résolution, qui est la plus petite distance qui sépare deux points vus distinctement. Pour l’œil, il est de l’ordre du dixième de millimètre. • Le microscope optique (M.O.), associé aux différentes colorations, a permis la description des organes, tissus et cellules. Il est le seul microscope qui permet l’observation de cellules vivantes. Son pouvoir de résolution de 0,2 micromètre limite cependant les observations.

Cellules de l’épithélium intestinal observées au microscope électronique à transmission

• Le microscope électronique à balayage (M.E.B.) donne une image tridimensionnelle du matériel observé. La préparation des échantillons est contraignante et ne permet pas d’observer des cellules vivantes. La grande profondeur de champ est un atout de ce microscope mais la résolution est en revanche moins bonne que celle du microscope électronique à transmission.

Cellules de l’épithélium intestinal observées au microscope optique

Les microscopes

Cellules de l’épithélium intestinal observées au microscope électronique à balayage

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4.2. L’ultrastructure cellulaire 3-7

L’ultrastructure est la structure fine des composants de la cellule, observable au microscope Êlectronique à transmission.

4.2.1. La cellule animale

1Âľm

Cellule de foie de souris (M.E.T.) G : 32 000 Ă— et sa modĂŠlisation     30 30

cytoplasme membrane cytoplasmique noyau nuclĂŠole

 enveloppe nuclĂŠaire  rĂŠticulum endoplasmique granulaire portant des ribosomes

 rĂŠticulum endoplasmique lisse

   

appareil de Golgi lysosome mitochondrie centrosome

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4.2.2. La cellule vĂŠgĂŠtale

Cellule de feuille de haricot (M.E.T.) G : 10 000 Ă— et sa modĂŠlisation

1Âľm

   

cytoplasme membrane cytoplasmique paroi cellulosique noyau

 nuclĂŠole  enveloppe nuclĂŠaire  rĂŠticulum endoplasmique granulaire portant des ribosomes  rĂŠticulum endoplasmique lisse

   

appareil de Golgi vacuole mitochondrie chloroplaste contenant des amas d’amidon

4.2.3. La cellule bactĂŠrienne

1Âľm

Cellule de bactĂŠrie Bacillus subtilis (M.E.T.) G : 100 000 Ă— et sa modĂŠlisation  cytoplasme  membrane cytoplasmique

 paroi cellulaire  capsule

 chromosome circulaire (ADN)  ribosomes

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4.2.4. La membrane cytoplasmique • Au microscope optique, à un fort grossissement (1000 ×), la membrane cytoplasmique se situe au niveau d’un simple trait délimitant la cellule ou séparant deux cellules animales car son épaisseur est inférieure au pouvoir de résolution du microscope.

• Au microscope électronique à un très fort grossissement (260 000 ×), on constate que chaque membrane paraît formée de deux couches sombres séparées par une ligne claire.

50 nm

10 μm Les cellules de l’épithélium intestinal présentent, du côté de la lumière de l’intestin (en haut sur la photo), une bordure en brosse constituée par de très nombreux et fins replis des membranes cytoplasmiques : les microvillosités.

• Au microscope électronique à des grossissements moyens (15 000 × et 40 000 ×), on voit que chaque cellule possède sa propre membrane épaisse de 7 à 8 nm.

1000 nm

Bordure en brosse d’une cellule de l’épithélium intestinal, faite de nombreuses microvillosités

Coupe transversale dans des microvillosités d’une cellule d’épithélium intestinal

• L’analyse biochimique de membranes montre qu’elles sont principalement constituées de phospholipides et de protéines. Les phospholipides sont constitués d’une « tête » hydrophile (du grec hûdor : eau et philos : ami) qui est susceptible de se lier aux molécules d’eau et de « queues » hydrophobes (du grec phobos : peur, ennemi) formées d’une longue chaîne carbonée insoluble dans l’eau. Afin de rendre compte de toutes ces observations, Singer et Nicholson proposent, en 1972, le modèle de la « mosaïque fluide » pour représenter la structure de la membrane cytoplasmique. La membrane est constituée de deux couches de phospholipides dans lesquelles des protéines et d’autres molécules comme le cholestérol sont disposées irrégulièrement, donnant l’image d’une mosaïque. Dans la membrane, les molécules de phospholipide sont orientées de telle sorte que les queues hydrophobes se font face tandis que les têtes hydrophiles sont au contact de l’eau du cytoplasme et du milieu extracellulaire. La fluidité de la bicouche lipidique permet le déplacement latéral de certaines protéines. À sa surface extérieure, la membrane porte également des glycoprotéines et des glycolipides. À sa surface intérieure sont arrimés des filaments protéiques.

200 nm

Les membranes de chacune des deux cellules accolées sont bien visibles.

32 32

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Modèle d’un phospholipide

La membrane cytoplasmique : modèle de la mosaïque fluide

C’est la structure de la membrane et la nature chimique de ses composants qui confèrent à la membrane ses propriétés. La double couche de phospholipides est perméable à de petites molécules comme les gaz respiratoires (O2 et CO2). Les protéines membranaires permettent le passage de certaines petites molécules qui ne sont pas solubles dans

les lipides; certaines protéines délimitent de petits canaux (aquaporines et canaux ioniques) par lesquels peuvent transiter les molécules d’eau ou certains ions alors que d’autres protéines sont de véritables transporteurs capables de fixer un soluté (comme le glucose) d’un côté de la membrane et de le libérer de l’autre côté.

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4.2.5. Le cytoplasme • Les microtubules sont les fibres les plus grosses (tubes de 25 nm de diamètre).

Laboratoire d’Histologie, UMons

On appelle cytoplasme la masse de substance limitée par la membrane cytoplasmique, à l’exclusion du noyau. Le cytoplasme est constitué d’une solution aqueuse claire, d’apparence homogène, appelée cytosol et d’un très grand nombre d’organites qui accomplissent les différentes fonctions cellulaires. Ces organites sont animés d’un mouvement continuel nommé cyclose. Le cytosol contient des fibres protéiques qui constituent le cytosquelette. On y distingue trois types de fibres qui différent par leur composition, leur taille et leur structure.

Laboratoire de Biologie cellulaire, U.C.L.

• Les microfilaments sont les fibres les plus fines (7 nm de diamètre).

Microtubules dans une cellule animale Les flèches désignent des microtubules en coupe longitudinale.

Microfilaments d’actine d’une cellule musculaire

• Les filaments intermédiaires (10 nm de diamètre).

1 μm

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

4.2.6. Le noyau

Laboratoire d’Histologie, UMons

Noyau d’une cellule de foie de rat

Mise en évidence des filaments intermédiaires du cytosquelette d’une cellule animale par immunofluorescence

34 34

Le noyau est souvent sphérique. Il est limité par l’enveloppe nucléaire faite de 2 membranes de même nature que la membrane cytoplasmique. L’enveloppe nucléaire est en continuité avec le réticulum endoplasmique et elle est percée de pores. Le noyau renferme un gel, le nucléoplasme, et un ou plusieurs nucléoles. Dans le nucléoplasme, on observe un enchevêtrement de filaments, la chromatine. Chaque filament de chromatine est en réalité une molécule d’ADN associée à des protéines. Le nucléole est principalement composé de molécules intervenant dans la constitution des ribosomes.

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nucléole chromatine nucléoplasme enveloppe nucléaire pore nucléique réticulum endoplasmique granulaire (REG) ribosome polysome réticulum endoplasmique lisse (REL)

500 nm

4.2.7. Le réticulum endoplasmique Le réticulum endoplasmique est un système constitué de canaux et de sacs aplatis dont les parois ont une constitution semblable à celle de la membrane cytoplasmique. Il est en relation avec l’enveloppe nucléaire. Lorsque la face externe du réticulum est couverte de petits grains, les ribosomes, on parle de réticulum endoplasmique granulaire (REG). Quand les ribosomes sont absents, on parle de réticulum endoplasmique lisse (REL).

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

Les ribosomes sont de petits granules de 10 à 20 nm de diamètre, non délimités par une membrane, que l’on trouve sur le réticulum endoplasmique granulaire ou isolés dans le cytoplasme. Ils peuvent aussi s’associer en chaînette pour former un polysome.

Polysomes d’un kératinocyte, cellule spécialisée de l’épiderme humain produisant la kératine, protéine qui durcit et imperméabilise la peau

Les ribosomes associent les acides aminés en polypeptides qui deviennent des protéines fonctionnelles dans les tubules du réticulum endoplasmique granulaire. Le réticulum endoplasmique lisse est le lieu de synthèse des lipides complexes.

4.2.8. L’appareil de Golgi

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

L’appareil de Golgi est formé d’un empilement de quelques saccules aplatis, discoïdes, limités par une membrane de même type que la membrane cytoplasmique. Les saccules forment des vésicules par bourgeonnement.

100 nm Différenciation des membranes golgiennes chez le mycète Pythium ultimum

500 nm Réticulum endoplasmique granulaire d‘une cellule de foie de souris Les granules sombres, associés aux membranes, sont des ribosomes. vésicules

saccule

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On compte plusieurs centaines de mitochondries dans chaque cellule, parfois plusieurs milliers. Les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire fournissant l’énergie nécessaire aux cellules.

Laboratoire d’Histologie, UMons

De petites vésicules contenant les protéines en maturation se détachent du réticulum endoplasmique et fusionnent pour former les saccules de l’appareil de Golgi. Au niveau de ces saccules, les protéines terminent leur maturation avant d’être concentrées dans les vésicules golgiennes, qui se forment par bourgeonnement d’un saccule. Selon les protéines synthétisées, les vésicules golgiennes ont différentes destinées. Les unes renferment des hydrolases (enzymes capables de découper de grosses molécules en petits fragments) et deviennent des lysosomes qui interviennent dans la digestion intracellulaire. Les autres concentrent des produits qui seront libérés de la cellule par exocytose; c’est le cas, par exemple, des sucs digestifs fabriqués par les cellules des glandes digestives.

500 nm Les vésicules gris clair sont des lysosomes tandis que les petites vésicules noires sont des grains de sécrétion.

4.2.9. Les mitochondries

Mitochondries sphériques (en haut) et cylindrique (en bas) en coupe longitudinale

Docs +

Les mitochondries sont des organites généralement en forme de sphère ou de bâtonnet de 0,2 à 4 µm de longueur. Elles sont limitées par deux membranes. La membrane externe est lisse alors que la membrane interne forme des replis transversaux, les crêtes mitochondriales. La matrice mitochondriale constitue le volume interne de la mitochondrie. Les mitochondries contiennent de l’acide désoxyribonucléique appelé ADN mitochondrial.

Deux chercheurs belges, Albert Claude (1899 - 1983) et Christian de Duve (1917 - 2013), ont exploité et perfectionné les techniques d’ultracentrifugation afin de mieux connaître les cellules eucaryotes.

membrane externe membrane interne matrice crête

36 36

Christian de Duve

Le premier développa des techniques de fractionnement des cellules et mit rapidement en évidence l’existence de « granules cytoplasmiques » de différentes tailles. Le second exploita les fractions enzymatiques obtenues et révéla les caractéristiques de ces dernières. Les résultats de ces recherches allaient conduire de Duve et ses collaborateurs à caractériser de nouveaux organites cellulaires : les lysosomes. Les travaux des deux chercheurs belges furent conjointement récompensés par le Prix Nobel de Physiologie ou de Médecine en 1974.

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4.2.10. Les plastes

4.2.11. Le centrosome

Les cellules végétales se distinguent des cellules animales par la présence d’organites particuliers, les plastes. Les plastes sont variés et se classent suivant la substance qu’ils contiennent : chloroplastes (chlorophylles), chromoplastes (autres pigments), amyloplastes (amidon), oléoplastes (huile). Les chloroplastes sont des organites généralement de forme elliptique de 2 à 10 µm de longueur et de 1 à 3 µm de diamètre, limités par deux membranes. À l’intérieur du chloroplaste, un réseau de membranes forme des grains reliés entre eux. Chaque grain consiste en un empilement de petits sacs, les thylacoïdes. C’est à leur surface que se trouvent les molécules de chlorophylle responsables de la couleur verte des chloroplastes. Les thylacoïdes baignent dans un stroma contenant parfois des amas d’amidon. Tout comme les mitochondries, les chloroplastes contiennent de l’ADN.

On observe, souvent à proximité du noyau, un centrosome. Dans les cellules animales, il est constitué de deux petits cylindres disposés perpendiculairement l’un à l’autre, les centrioles, et de matériel péricentriolaire formé de microtubules rayonnants. Chaque centriole a un diamètre de 200 nm environ et est constitué de neuf triplets de microtubules. Chez les plantes et les mycètes, le centrosome ne contient pas de centriole. Le centrosome est le centre organisateur des microtubules du cytosquelette.

200 nm Coupe transversale d’un centriole

1 μm On reconnaît la double membrane limitant le chloroplaste, les thylacoïdes organisés en grains, les lamelles intergranaires et, au sein du stroma, des amas blanchâtres d'amidon.

Les deux centrioles d’un centrosome

membrane externe membrane interne

3-8 3-9

thylacoïde grain lamelle stroma

Le chloroplaste est l’organite responsable de la photosynthèse. À partir de substances minérales, la photosynthèse permet à la cellule d’élaborer du glucose, source de l’alimentation carbonée des autotrophes. Le glucose est stocké sous forme d’amidon. BIO 4 pour tous - Chapitre 3 - La cellule : unité du vivant BIO 4 pour tous-FOLIO-reimpr 2018.indd 37

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Cette carte heuristique est un schéma structurant la représentation mentale qu’on peut se faire des savoirs que l’on a sur la cellule. C’est un outil personnel qui facilite l’étude et la mémorisation.

38 38

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5. Unité mais diversité Bien que les cellules soient bâties sur le même schéma général, elles peuvent avoir des dimensions et des formes extrêmement diverses.

Les cellules de plantes, par exemple de l’algue Hydrodictyon reticulatum de nos étangs (à gauche), présentent des contours géométriques anguleux. Les chloroplastes sont de forme variable d’une espèce à l’autre : ceux des algues du genre Spirogyra (ci-dessus) ont une forme en hélice.

Dans l’épiderme des feuilles de plantes, des cellules en fome de croissant, les cellules de garde, forment des pores, les stomates, par lesquels s’opèrent les échanges gazeux.

Cellule de poil urticant de l’ortie Urtica dioica

Cellules épithéliales de l’intestin grêle humain Neurone de l’encéphale humain

La paramécie Paramecium caudatum est un grand organisme unicellulaire d’eau douce (100 à 300 µm).

40

Avec son diamètre de 7 cm, le jaune de l’œuf d’autruche (Struthio camelus) est la cellule la plus volumineuse.

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Activités

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3.1. Familiarise-toi avec le microscope

Expérimenter, observer

MATÉRIEL

Physique - microscope - lames porte-objet - lamelles couvre-objet - papier millimétré

• •

Biologique - préparation commerciale colorée de sang humain

Chimique - eau Sors délicatement le microscope de sa boîte ou de sa housse, installe le câble électrique et branche-le.

oculaire

Observe une préparation au microscope 1. Allume l’éclairage de ton microscope. 2. Ouvre le diaphragme pour obtenir une luminosité maximale. 3. Fais tourner le barillet pour sélectionner l’objectif de plus faible grossissement. 4. Place la préparation commerciale de sang humain sur la platine en la maintenant avec les valets. La préparation doit être au centre du trou de la platine.

tube optique

barillet potence

les objectifs fixés au barillet : dispositifs optiques proches de l’objet à observer; un grossissement différent est noté sur chaque objectif, le plus court étant le moins puissant. Le grossissement du microscope correspond au produit des grossissements de l’objectif et de l’oculaire. le diaphragme : dispositif contrôlant le diamètre de la zone éclairée de la préparation; la vis macrométrique : dispositif permettant de rapprocher rapidement l’objectif de la platine; la vis micrométrique : dispositif permettant de rapprocher lentement l’objectif de la platine.

objectif

La préparation de sang humain mise à ta disposition est un frottis sanguin. Un frottis sanguin est une goutte de sang étalée en une couche très mince, de façon telle que les cellules du sang ne se superposent pas. Les frottis sanguins sont habituellement colorés de manière à mettre en évidence les noyaux cellulaires.

valet condenseur

platine diaphragme

vis macrométrique

source lumineuse

vis micrométrique

Découvre le microscope Place le microscope avec la potence vers toi et repère : • la platine, endroit où tu places la préparation que tu vas observer; • les valets : éléments utilisés pour empêcher la préparation de bouger; • l’oculaire : endroit où tu places l’œil pour observer la préparation; sur l’oculaire, repère un nombre suivi du signe ×, il indique le grossissement de l’oculaire;

42

5. Regarde sur le côté du microscope et rapproche le plus possible l’objectif de la platine à l’aide de la vis macrométrique mais sans toucher la préparation. 6. Mets l’œil à l’oculaire et éloigne l’objectif en tournant lentement la vis macrométrique en sens inverse. 7. Quand tu distingues un amas de petites cellules rosées, affine la mise au point à l’aide de la vis micrométrique. 8. Recherche une zone présentant une variété de cellules. Le déplacement apparent de la préparation se fait en sens inverse du déplacement réel; lorsque tu pousses la préparation vers la droite, l’image se déplace vers la gauche, lorsque tu pousses la préparation vers le haut, l’image se déplace vers le bas. 9. Tourne le barillet pour passer au grossissement moyen et affine la mise au point uniquement à l’aide de la vis micrométrique. Réduis l’ouverture du diaphragme sans trop assombrir l’image. 10. Pour observer au fort grossissement, pratique de la même manière.

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11. Identifie les composants du sang en t’aidant des informations suivantes : • matrice liquide : plasma; • cellule arrondie, rosée, sans noyau : globule rouge; • cellule à noyau en forme de haricot : monocyte; • cellule à noyau arrondi occupant presque toute la cellule : lymphocyte; • cellule au contenu granuleux et au noyau lobé : granulocyte; • petit fragment cellulaire (formes variées) : plaquette. Quelles sont les cellules les plus abondantes du tissu sanguin ?

Évalue la taille d'une cellule 1. Découpe une languette de papier millimétré. 2. Humidifie-la et place-la entre lame porte-objet et lamelle couvre-objet. 3. Place ta préparation sur la platine du microscope en la maintenant avec les valets. Ta préparation doit être au centre du trou de la platine. 4. Observe au faible grossissement. Évalue le diamètre du champ d’observation. 5. Observe aux grossissements supérieurs. Décris ce que tu observes. Peux-tu donner le diamètre du champ d’observation ? Pour un microscope donné, sans changer d’oculaire, le diamètre du champ d’observation est inversement proportionnel au grossissement de l’objectif.

3.2. Dessine correctement ce que tu observes Traduire une observation par un dessin

MATÉRIEL Physique - crayon noir - gomme - feuille blanche - latte Les dessins sont très importants pour t’aider à observer puis comprendre et mémoriser tes observations. Mais il ne s’agit pas de dessiner n’importe comment, il faut trouver un compromis entre ce que tu vois vraiment et une simplification exagérée. Si tu te crois « mauvais » en dessin, ne te décourage pas : les règles suivantes vont t’aider. 1. Pour réaliser un bon dessin, tu dois être soigneux. • Utilise un crayon noir bien taillé et une feuille blanche non lignée ni quadrillée. • Trace des traits uniques et sans raccord. • Trace les traits de légende rectilignes, non fléchés et qui ne se croisent pas. 2. Pour réaliser un bon dessin, tu dois être précis. • Fais un dessin le plus précis possible en respectant les proportions et les formes des structures observées. • Représente en quelques exemplaires les structures présentes plusieurs fois. 3. Pour réaliser un bon dessin, tu dois être complet. • Écris le titre complet, souligné. • Écris les légendes hors dessin, alignées du même côté. • Inscris ton nom. • Indique le type de coloration ou l’absence de coloration. • Indique les grossissements du microscope (objectif × oculaire). • Indique la taille moyenne des cellules ou un trait d’échelle.

Avec le microscope utilisé dans cet exemple, au grossissement 4×10, le diamètre du champ d’observation mesure environ 5 mm. Dès lors, à 40×10, le diamètre du champ d’observation vaut 10 fois moins, soit environ 0,5 mm ou 500 µm. BIO 4 pour tous - Chapitre 3 - La cellule : unité du vivant - Activités BIO 4 pour tous-FOLIO-reimpr 2018.indd 43

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3.3. Quelle est l’unité de base des plantes ?

Voici comment traduire par un dessin l’observation de cellules non colorées de feuille d’élodée à feuilles alternes (Lagarosiphon major) observées au microscope optique. Les corpuscules verdâtres sont des chloroplastes.

Utiliser le microscope, réaliser et observer des préparations microscopiques, présenter sous une autre forme (réalité  dessin)

MATÉRIEL Physique - microscope - lames porte-objet - lamelles couvre-objet - 2 pinces fines - petit couteau ou scalpel - papier absorbant - pipette ou flacon compte-gouttes

50 μm Cellules de feuille d’élodée

Biologique - quelques tiges feuillées d’une mousse du genre Mnium ou d’un genre apparenté, à conserver dans un petit pot fermé, sur un papier absorbant imprégné d’eau - rameau d’élodée - un poivron rouge

Chimique - eau

Observe des cellules de mousses

Voici les erreurs à éviter.

Observe au microscope la préparation de sang humain (activité 3.1.) et réalise un dessin représentant quelques cellules du tissu sanguin. 44

Parmi les nombreuses espèces de mousses, certaines sont remarquables par la grande taille de leurs feuilles et la couche unique de cellules qui les constitue. Le genre Mnium et d’autres genres apparentés en sont des exemples. On rencontre fréquemment Plagiomnium undulatum, aux longues feuilles ondulées, au sol ou sur les rochers des lieux boisés humides et ombragés. Mnium hornum est l’une des espèces les plus fréquentes sur les talus des chemins creux. D’autres espèces proches se trouvent aisément dans les zones humides et ombragées des pelouses de nos jardins. On reconnaît ces espèces à leurs grandes feuilles, visibles individuellement à l’œil nu, et au fait que les feuilles sont larges et translucides, ce qui les distingue des polytrics (Polytrichum sp.), autres grandes mousses de nos bois.

Plagiomnium undulatum

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1. À l’aide d’une pince fine, prélève une tige feuillée de mousse et maintiens-la comme montré sur la photo ci-dessous.

4. Recouvre la goutte d’eau d’une lamelle couvreobjet en l’inclinant graduellement pour permettre aux bulles d’air de se dégager.

2. À l’aide de la deuxième pince fine, de l’autre main, arrache délicatement une feuille intacte en la saisissant à sa base.

5. Presse délicatement l’ensemble afin d’évacuer l’excès d’eau.

3. Dépose la feuille dans une goutte d’eau disposée au centre d’une lame porte-objet.

6. Si nécessaire, essuie l’excès d’eau avec un papier absorbant. 7. Observe ta préparation au microscope. Ta préparation est réussie si : • la feuille de mousse est bien étalée; • il n’y a pas de bulles d’air. 8. Repère : • la paroi cellulosique délimitant la cellule, et à laquelle est intérieurement accolée la membrane cytoplasmique, trop fine pour être distinguée; • les nombreux chloroplastes colorés naturellement en vert; • éventuellement, en fonction de l’état d’hydratation de la feuille, la grande vacuole transparente. 9. Évalue la taille d’une cellule. 10. Réalise un dessin légendé de quelques cellules observées au fort grossissement.

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Observe des cellules de feuilles d’élodée L’élodée du Canada (Elodea canadensis) est une plante originaire de l’Amérique du Nord, introduite en Europe vers 1835. Elle est utilisée par les aquariophiles mais elle a été rejetée dans le milieu naturel et a envahi les eaux stagnantes et courantes.

1. À l’aide de la pince, arrache délicatement une jeune feuille près du sommet d’un rameau d’élodée. 2. Dépose-la sur une lame porte-objet dans une goutte d’eau et recouvre d’une lamelle couvre-objet. 3. Éponge à l’aide d’un papier essuie-tout l’excès d’eau. 4. Observe aux différents grossissements. Les cellules étant relativement épaisses, manœuvre sans cesse légèrement la vis micrométrique afin de mettre au point dans tout le volume cellulaire et repère : • la paroi cellulosique délimitant la cellule, et à laquelle est intérieurement accolée la membrane cytoplasmique, trop fine pour être distinguée; • la grande vacuole transparente; • le cytoplasme incolore repoussé en périphérie par la vacuole; • dans le cytoplasme, les nombreux chloroplastes colorés naturellement en vert et qui circulent lentement autour de la vacuole, entraînés par les courants cytoplasmiques; • le noyau. 5. Évalue la taille d’une cellule. 6. Réalise un dessin légendé de quelques cellules observées au fort grossissement.

Observe des cellules d’épiderme de poivron rouge Le poivron (Capsicum annuum) est une plante cultivée dans le monde entier pour ses fruits consommés comme légumes. Il a été introduit en Europe au XVIIIe siècle.

1. Prélève un fragment le plus fin possible de l’épiderme du poivron rouge. 2. Sur un papier absorbant, élimine le plus possible, à l’aide du scalpel ou du couteau, la pulpe attachée à l’épiderme de manière à obtenir une préparation très fine. 3. Dépose l’épiderme décapé dans une goutte d’eau disposée au centre d’une lame porte-objet. 4. Prends une lamelle couvre-objet entre les doigts sans laisser de traces de doigts sur la surface et déposela sur le fragment en l’inclinant graduellement pour permettre aux bulles d’air de se dégager. 5. Presse délicatement l’ensemble afin d’évacuer l’excès d’eau. 6. Essuie si nécessaire, avec un morceau de papier absorbant, l’excès d’eau. 7. Observe ta préparation au microscope aux différents grossissements. Repère un endroit où ta préparation est moins épaisse, souvent près des bords du fragment d’épiderme. Manœuvre sans cesse légèrement la vis micrométrique afin de mettre au point dans tout le volume cellulaire. 8. Ta préparation est réussie si : • le fragment d’épiderme est bien étalé; • le fragment est suffisamment mince pour ne présenter qu’une ou deux couches de cellules; • il n’y a pas de bulles d’air. 9. Repère : • la paroi cellulosique délimitant la cellule, et à laquelle est intérieurement accolée la membrane cytoplasmique, trop fine pour être distinguée; • le cytoplasme; • les chromoplastes, nombreux petits grains rougeâtres dispersés dans le cytoplasme; • le noyau au sein duquel apparaît une petite structure sphérique, le nucléole. 10. Évalue la taille d’une cellule. 11. Réalise un dessin légendé d’une cellule et de la zone de contact avec ses voisines au fort grossissement.

Caractérise la cellule végétale Réalise la synthèse de tes observations sous la forme d’un tableau comparatif entre les cellules de mousse, d'élodée et de poivron rouge.

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3.4. Quelle est l’unité de base des animaux ?

Utiliser le microscope, réaliser et observer des préparations microscopiques, présenter sous une autre forme (observation  dessin)

MATÉRIEL Physique - microscope - lames porte-objet - lamelles couvre-objet - scalpel - papier absorbant - pipettes - papier collant transparent

Biologique - tes cellules de peau - foie frais (non congelé) de lapin, poulet, porc…

Chimique - eau - solution de Lugol - solution de bleu de méthylène

1. Découpe un petit morceau de papier collant. Applique-le sur le dos d’une de tes mains et pressele plusieurs fois afin qu’il adhère correctement à la peau. 2. Retire le papier collant et colle-le sur une lame porte-objet; presse-le plusieurs fois afin qu’il adhère correctement à la lame porte-objet. 3. Retire délicatement le papier collant. 4. Dépose avec une pipette deux gouttes du colorant bleu de méthylène sur ta préparation, étale-le bien, laisse agir 2 minutes. 5. Pour éviter de salir la paillasse, mets un papier absorbant en dessous de ta préparation. Rince ta préparation en faisant couler un peu d’eau prélevée à l’aide d’une pipette. 6. Ajoute si nécessaire une goutte d’eau et place une lamelle couvre-objet sur ta préparation. 7. Observe-la au microscope. 8. L’utilisation du colorant permet-elle de nouvelles observations ? Si oui, lesquelles ? 9. Réalise un dessin de quelques cellules que tu observes au fort grossissement.

Observe des cellules de foie

Observe des cellules de ta peau 1. Découpe un petit morceau de papier collant. Applique-le sur le dos d’une de tes mains et pressele plusieurs fois afin qu’il adhère correctement à la peau. 2. Retire le papier collant et colle-le sur une lame porte-objet; presse-le plusieurs fois afin qu’il adhère correctement à la lame porte-objet. 3. Retire délicatement le papier collant. 4. À l’aide d’une pipette, dépose une goutte d’eau sur la préparation. 5. Prends une lamelle couvre-objet entre les doigts sans laisser de traces de doigts sur la surface et dépose-la sur la préparation en l’inclinant graduellement pour permettre aux bulles d’air de se dégager. 6. Essuie si nécessaire, avec un morceau du papier absorbant, l’excès d’eau. 7. Observe ta préparation au microscope (d’abord au faible grossissement) puis aux autres grossissements. 8. Évalue la taille d’une cellule. 9. Réalise un dessin légendé de quelques cellules observées au fort grossissement.

Utilise des colorants Maintenant que tu as observé de la peau humaine sans coloration, tu peux faire une nouvelle préparation microscopique en utilisant des colorants.

1. Gratte avec la pointe du scalpel la surface tranchée du morceau de foie et dépose ton échantillon sur une lame porte-objet. 2. À l’aide du scalpel, dissocie au maximum l’échantillon pour séparer les cellules le mieux possible. 3. Ajoute une goutte de lugol et laisse agir trois minutes. 4. Rince délicatement à l’eau. 5. Recouvre d’une lamelle couvre-objet et éponge à l’aide d’un papier essuie-tout l’excès de liquide sur la lame et la lamelle. 6. Place ta préparation sous le microscope. 7. Sélectionne l’endroit où les cellules sont bien dissociées et bien colorées. 8. Observe au fort grossissement et manœuvre sans cesse légèrement la vis micrométrique afin de mettre au point dans tout le volume cellulaire et repère : • les cellules dissociées de forme arrondie et de tailles diverses; • l’unique noyau dans les plus petites cellules et les deux voire trois noyaux dans les plus grandes; • le glycogène coloré en brun-acajou en présence de lugol; • les diverses granulations présentes dans le cytoplasme. 9. Évalue la taille moyenne d’une cellule. 10. Réalise un dessin légendé de quelques cellules.

Caractérise la cellule animale Réalise la synthèse de tes observations.

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3.5. Observation de bactéries

Utiliser le microscope, réaliser et observer des préparations microscopiques, présenter sous une autre forme (observation  dessin) Les bactéries sont des organismes unicellulaires qui occupent tous les milieux. Certaines vivent même en symbiose dans notre intestin ou dans les cavités naturelles de notre corps. Elles se développent également dans nos aliments comme le yaourt qui est un lait fermenté obtenu essentiellement sous l’action de deux espèces de bactéries : Lactobacillus bulgaricus et Streptococcus thermophilus. Selon les normes internationales, un yaourt doit contenir au minimum 10 millions de bactéries par gramme. La fermentation du lait utilise du sucre du lait (lactose) et forme de l’acide lactique, qui provoque la coagulation des protéines rendant le produit plus crémeux. La fermentation génère également des molécules aromatiques qui donnent son goût au yaourt et conduit à la formation de vitamines. De plus, l’acidité rend certains minéraux, comme le calcium indispensable à la formation des os, plus facilement assimilables. La consommation de yaourt contribue également à faciliter le travail de l’intestin.

MATÉRIEL Physique - microscope - lames porte-objet - lamelles couvre-objet - pipettes

Biologique - yaourt nature maigre

Chimique - eau - éthanol (dénaturé) - solution de bleu de méthylène

Réalise une préparation microscopique 1. Mélange une goutte de yaourt avec une goutte d’eau près de l’extrémité d’une lame porte-objet. 2. Réalise un fin frottis comme représenté ci-dessous et laisse sécher.

3. Ajoute, à l’aide d’une pipette, trois gouttes d’éthanol en les répartissant sur le frottis; laisse agir 2 minutes. 4. Rince délicatement avec de l’eau. 5. Ajoute une goutte de bleu de méthylène en la répartissant sur le frottis; laisse agir 2 minutes. 6. Rince délicatement avec de l’eau. 7. Recouvre d’une lamelle couvre-objet.

Observe ta préparation au microscope 1. Place la préparation sous le microscope. 2. Observe au grossissement de 400 × au minimum en respectant les règles d’utilisation du microscope. Certaines bactéries ont une forme sphérique, d’autres une forme de bâtonnet. Certaines sont isolées, d’autres sont groupées en chapelet. 3. Donne une estimation de la taille des bactéries. 4. Réalise un dessin légendé d’une partie du champ observé. 5. Sachant que les bactéries sphériques portent le nom de coque et celles en bâtonnet le nom de bacille, identifie sur ton dessin les deux espèces de bactéries citées dans le document.

Compare 1) À l’issue des activités 3.3., 3.4. et 3.5., réalise la synthèse de tes observations sous forme d’un tableau comparatif entre les cellules végétales, les cellules animales et les bactéries. 2) Compare l’ordre de grandeur de ces cellules avec la taille de la molécule de glucose présentée à la page 28.

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3.6. L’apport des différents microscopes

DOCUMENT 3 Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

Analyser, comparer

Par cette activité, tu vas découvrir l’intérêt des différents microscopes utilisés par les cytologistes (biologistes qui étudient la structure de la cellule). Les quatre documents suivants donnent des images de cellules sanguines obtenues par des techniques microscopiques différentes.

DOCUMENT 1 A

B Globule blanc observé en microscopie électronique à balayage (M.E.B.) Grossissement : 42 000 x

C

DOCUMENT 4 10 µm

Sang humain en microscopie optique (M.O.), coloration de Giemsa On y distingue des globules rouges (A), un globule blanc (B) et des plaquettes (C) baignant dans le plasma (D). Grossissement : 1000 x

DOCUMENT 2

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

A

B

Observation en microscopie électronique à transmission (M.E.T.) Un globule rouge (A) se fait absorber par un globule blanc (B). Grossissement : 35 000 x

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

D

Globule rouge observé en microscopie électronique à balayage (M.E.B.) Grossissement : 49 000 x

1) Quelles caractéristiques des globules blancs et des globules rouges peux-tu déduire de l’analyse de ces documents ? Compare ces deux types de cellules. 2) Quelles sont les caractéristiques cellulaires mises en évidence avec les différents microscopes ? Réponds sous forme de tableau. 3) Pour chacun des microscopes utilisés, quels sont les intérêts spécifiques mis en évidence dans cette activité ? 4) Si tu as déjà observé, au microscope optique, des cellules n’ayant subi aucun traitement préalable, donne d’autres avantages spécifiques au microscope optique.

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Le microscope électronique à transmission a permis de mettre en évidence différentes structures cellulaires auxquelles les cytologistes ont donné des noms. Les documents 1 à 8 donnent des images des structures cellulaires observées au microscope électronique à transmission.

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

0,25 µm

2) Certains organites cellulaires présentent des caractéristiques semblables qui rendent leur identification plus difficile. Quel critère va te permettre de distinguer : • le chloroplaste de la mitochondrie ? • le lysosome de la vacuole ?

0,5 µm

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

1. Appareil de Golgi (cellule de foie de rat)

2. Mitochondries (cellule de foie de souris)

0,25 µm 3. Lysosomes (cellule de foie de souris)

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Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

Analyser des documents, comparer

1) Caractérise chaque structure cellulaire illustrée, en précisant lorsque c’est possible : • sa forme et ses dimensions; • le nombre de membranes qui la limitent; • l’aspect du contenu; • d’autres caractéristiques éventuelles. Tes réponses sont attendues sous forme de tableau.

0,5 µm

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

3.7. Que nous révèle le microscope électronique à transmission ?

4. Réticulum endoplasmique granulaire (cellule de foie de souris)

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Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

1 µm 5. Noyau (cellule de foie de rat)

0,4 µm

6. Centrosome (cellule de mammifère)

5 µm 7. Vacuoles (cellule végétale)

1 µm 8. Chloroplaste (cellule végétale)

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3.8. Identification des structures cellulaires Analyser des documents, comparer

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DOCUMENT 1 - Portion de cellule de foie de souris (M.E.T.) – G : 32 000 x

Schématise la coupe ci-dessus (ou photocopie le document) et localise sur ton schéma la membrane cytoplasmique, un ribosome, l’appareil de Golgi, le réticulum endoplasmique granulaire, une mitochondrie, le centrosome, le noyau et un lysosome.

DOCUMENT 2 - Cellules de parenchyme de feuille de haricot (M.E.T.) – G. : 10 000 X

Schématise la coupe ci-dessus (ou photocopie le document) et localise sur ton schéma la paroi cellulosique, la membrane cytoplasmique, un chloroplaste, le noyau, la vacuole. 52

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Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

DOCUMENT 3 - Portion de cellule de foie de rat (M.E.T.) – G. : 5700 x

Schématise la coupe ci-dessus (ou photocopie le document) et localise sur ton schéma le réticulum endoplasmique, une mitochondrie, le noyau et le nucléole.

Toutes les photographies au microscope électronique présentées dans ce chapitre nécessitent un appareillage très onéreux et une technique de préparation longue et complexe, réservée à des spécialistes. Les microscopes électroniques ne se trouvent par conséquent pas dans les écoles mais seulement dans des laboratoires spécialisés.

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3.9. Identification de cellules en M.E.T. Analyser, interpréter, argumenter

Dans un laboratoire de cytologie, on vient de retrouver 4 photographies et 4 légendes. Associe chaque photographie à sa légende en justifiant ton choix avec un maximum d’arguments.

PHOTOGRAPHIE 3

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

PHOTOGRAPHIE 1

PHOTOGRAPHIE 4

Légende A

Bacillus subtilis, bactérie du sol, non pathogène

Légende B

Cellule sécrétrice de l’intestin de souris

Légende C

Laboratoire Cellules et Tissus, F.U.N.D.P., Namur

PHOTOGRAPHIE 2

Plasmocyte : globule blanc spécialisé dans la synthèse des anticorps

Légende D

Cellule musculaire cardiaque de rat

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Bio pour tous - 4e année - chapitre 3  
Bio pour tous - 4e année - chapitre 3  
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