CHAPITRE 2 - LA NATURE DU VIVANT


1. La matière carbonée et la richesse en eau caractérisent les êtres vivants


Quelle est la composition des êtres vivants et de la matière inerte ?
TP - La composition du vivant
Le monde vivant est composé essentiellement de Carbone, Hydrogène, Oxygène et Azote (CHON), ce qui est fondamentalement différent de la matière inerte, dont les roches sont souvent riches en Silice. L'eau fondamentale à la Vie est présente sur Terre en grande quantité et des expériences montrent que dans une ambiance aquatique originelle telle que celle qui se présentait il y a 3,5 Ga des molécules organiques apparaissent spontanément dans le milieu. On peut y voir les bases de la naissance de la Vie qui une fois isolée dans sa membrane et sous la conduction de l'ADN est propre à se reproduire et à entretenir sa pérennité.

2. Unité chimique du vivant : la matière organique


Quels sont les molécules qui composent la matière organique ?
TP - Caractérisation de la matière organique
Les êtres vivants sont composés d'éléments chimiques complexes baignant dans l'eau, nettement distincts du monde inerte : les glucides, les lipides, les protides (formés d'acides aminés) et les acides nucléiques comme l'ADN (formés de nucléotides). Par exemple tous les êtres vivants comprennent des membranes phospholipidiques. Cette grande unité chimique permet de déduire que tous les êtres vivants présentent des liens de parenté et une origine commune.

3. Fonctionnement chimique du vivant : le métabolisme


Quelles sont les réactions chimiques du vivant et comment sont-elles commandées ?
TP - Etude des Euglènes
Le métabolisme (catabolisme et anabolisme) est sous la dépendance de présence d'énergie et sous la direction d'enzymes, elles mêmes composées sous des plans de fabrication ou gènes présents au sein des molécules d'ADN. Par mutation une réaction métabolique peut être perdue ou modifiée, l'environnement pouvant quant à lui avoir une influence sur l'expression de certaines réactions métaboliques selon les besoins et la situation. Ces éléments fonctionnels renforcent la notion d'unité du vivant.
Nous conforterons la notion d'unité cellulaire puis nous détaillerons un peu la manière dont l'ADN et donc le patrimoine génétique peut diriger la structure et le fonctionnement des êtres vivants.

4. Tous les êtres vivants sont constitués de cellules


Comment sont organisés les êtres vivants ?
TP - Cellules et échelles du vivant
Au sein d'une certaine diversité (Procaryotes, Eucaryotes végétaux ou animaux), tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Les cellules eucaryotiques contiennent des organites aux fonctions spécifiques et dont certains ressemblent à des cellules procaryotiques. De cet ensemble se dégage une parenté commune aux êtres vivants, avec des formes plus simples ou primitives et des formes plus complexes engageant la notion d'évolution de génération en génération au cours de l'histoire de la Vie.

5. La structure et le fonctionnement des êtres vivants est dirigé par l'ADN


Qu'est-ce qui dirige les particularités de chaque être vivant ?
TP - ADN, gènes et expression - TP - ADN, gènes et mutations
Des expériences prouvent que l'ADN est le support de l'information génétique propre à déterminer les structures et fonctions des êtres vivants. Cette très grande molécule est formée de deux hélices complémentaires de nucléotides (A, C, G et T) conditionnant la structure des protéines dont les enzymes si importantes pour le métabolisme. Tout changement, c'est à dire mutation, sur l'ADN se traduit par une variation possible du métabolisme ou de la structure des êtres vivants.
Les êtres vivants, très diversifiés, possèdent un ADN plus ou moins complexe, leur permettant de déterminer des structures et des fonctionnements très divers. Ainsi l'ADN de Méduse fabrique une Méduse, l'ADN de Souris fabrique une Souris. Néanmoins un gène de Méduse transféré à une Souris fabriquera des enzymes de Méduses récupérés par la Souris.
La duplication de l'ADN permet se transmission perenne de cellule en cellule lors de leurs divisions. Il s'agit d'une des bases simples de la reproduction et de la pérennité des espèces vivantes.

Conclusion - Le vivant se caractérise en conclusion par une forte unité structurelle, la cellule, et une forte unité chimique, molécules organiques sous la dépendance de l'ADN. L'unité du vivant détermine une origine commune et une évolution au cours des temps géologiques conduisant à sa diversité.
bar

CH.2. - 1. La matière carbonée et la richesse en eau caractérise les êtres vivants


Il s'agit maintenant de préciser plus en détail ce qu'est un être vivant.
atome
La matière vivante est comme la matière inerte composée d'atomes. Ici un atome avec son noyau composé de protons et neutrons, ainsi que de ses électrons en orbite autour du noyau.

tableauelements
Tableau périodique des éléments capté depuis Wikipédia (©© bysa)

La matière organique est riche en Carbone, Azote (N) et Oxygène, le tout allié à de l'Hydrogène (CHON). Ces quatre atomes forment l'essentiel de la composition du vivant. On y trouve de nombreux autres éléments dont en quantité notable du Phosphore (P) et du Soufre (S). On trouve dans la matière inerte et en particulier les roches une grande quantité de Fer, Magnésium, Calcium, Silicium, etc. ce qui est fondamentalement différent de la matière organique.
eaumolecule
Enfin l'eau (H20) se trouve autant dans la matière vivante qu'inerte, la matière vivante baignant souvent dans l'eau ou construisant des barrières contre la déshydratation (peau, écailles, coquille...). C'est un solvant remarquable, nécessaire à la réalisation de nombreuses réactions chimiques.

elements
On notera la forte concentration de Carbone et d'Hydrogène dans la matière vivante, ainsi que par contraste, la forte concentration en Silice dans la matière inerte. Le vivant crée une matière différente baignant dans un super solvant, l'eau et isolé de l'extérieur par des membranes phospholipidiques comme nous l'avons déjà vu. L'ADN code le maintien du fonctionnement cellulaire comme nous l'indiquerons dans un prochain chapitre.

cellulesimplifiee

miller
©© bysa - Y.Mrabet - Wikipedia

En 1953, deux scientifiques, S.Miller et H.Urey réalisent une expérience visant à reconstituer les conditions primitives de l'apparition de la Vie il y a 3,5 Ga sur Terre. Ils partent d'une ambiance primitive océanique, orageuse et avec une atmosphère d'origine de la planète. Ils obtiennent en absence de Vie, l'apparition de molécules organiques au bout de quelques temps.
Rappels et approfondissements : vidéos - Matière inerte et matière vivante
bar

CH.2. - 2. Unité chimique du vivant : la matière organique


Une grande unité chimique du vivant est un indice de parenté.
cellulesdiverses
Tous les êtres vivants sont formés de cellules protégées par une membrane phospholipidique (et parfois de parois supplémentaires comme chez les bactéries et les végétaux). Nous savons que la matière vivante ou organique est composée de glucides (sucres et féculents), de lipides (huiles et graisses) et de protides (viande...). Ils s'agit d'éléments fondamentaux que nous recherchons dans notre alimentation. Si le nombre de catégorie est limité, leur diversité est très importante. Tous les atomes de ces éléments sont clairement disponibles sur le globe terrestre et nous l'avons vu avec l'expérience de Miller (1953) susceptibles dans certaines conditions de se former spontanément. Une fois apparue, la Vie entretient la Vie par le mécanisme de la reproduction. Cet entretien est conditionné par le fonctionnement de la molécule d'ADN qui dirige les réactions chimiques et conditionne les structures vivantes comme nous le verrons dans un prochain chapitre.
Pasted Graphic
La forte teneur en eau caractérise l'essentiel des êtres vivants. En phase de vie rallentie (graines par exemples) la teneur en eau peut être plus réduite et le retour de l'eau permet la reprise de la pleine vie chez ces organismes.

eauiodee
On peut tester la présence de certains éléments organiques dans la matière vivante. Ainsi le test à l'eau iodée est révélatrice de la présence d'amidon (une grosse molécule de glucide) ; l'eau iodée initialement brune vire au violet en présence d'amidon. On trouvera ainsi volontier de l'amidon dans les Pommes de terre, le Blé, les Amandes, les Pois mais pas dans toutes les parties ou chez tous les êtres vivants en quantité aussi importante. Le Pain formé de farine de blés contient de l'amidon. Chez l'Homme l'amidon est absent (en dehors de celui qu'il peut manger avant digestion). Le test de la tache grasse sur un papier révèle la présence de lipides. On n'en trouvera presque pas chez le Pois, mais en grande quantité chez les Amandes ; pas de lipides dans les Pommes de terre par exemple.
insuline
©© bysa - I.Yonemoto - Wikipedia - Modifié
Macromolécule d'une protéine, l'Insuline
Prolongement - Vidéo - La matière organique
bar

CH.2. - 3. Fonctionnement chimique du vivant : le métabolisme


Le métabolisme cellulaire est contrôlé par le patrimoine génétique.
Le métabolisme comprend toutes les réactions chimiques réalisées au sein du vivant. On distingue des réactions qui construisent des molécules, généralement de grande taille, avec l'anabolisme et des réactions qui détruisent des molécules pour les rendre en plus petits éléments ou catabolisme. Si le métabolisme consomme de l'énergie globalement, le catabolisme produit généralement de l'énergie utile aux réactions métaboliques, au mouvements et à la production de chaleur chez les êtres vivants.
photosynthesesimple
©© bysa - Pseudonymes - Wikipedia - Photosynthèse au niveau de la Plante

La photosynthèse est une réaction chimique célèbre de l'anabolisme :
CO2 + H2O donne grace à de l'énergie lumineuse et avec l'aide de la chlorophylle et d'enzymes du glucose + 02. Cette réaction chimique est réalisée par les Plantes vertes et libère de l'oxygène dans notre atmosphère. Nous étudierons plus en détail la photosynthèse dans un prochain chapitre.
La réaction inverse est tout aussi célèbre, c'est une réaction du catabolisme : la respiration : glucose + 02 donne grace à l'action de nombreuses protéines enzymatiques du CO2 + H2O et produit de l'énergie utilisable par la cellule.

enzyme
Exemple d'enzyme intervenant au niveau d'une membrane cellulaire

Les enzymes sont des molécules outils fondamentales à la bonne organisation des réactions du métabolisme. Ce sont des protides souvent complexes qui aident et dirigent ces réactions. Or, ces protéines sont elles mêmes conditionnées par le patrimoine génétique sous forme d'ADN. L'ADN conduit à une succession particulière et spécifique d'acides aminés ou protides commandés par ce que l'on appelle un gène. Le génome qui corresponds à l'ensemble des gènes conditionne donc la construction des protides.

euglene
Euglène sauvage riche en chlorophylle - ©© 0

Les Euglènes sont des sortes d'Algues unicellulaires capables de se déplacer grâce à un flagelle. Il existe une variété sauvage qui contient de la chlorophylle (photo ci-dessus) et une variété mutante qui n'est pas capable de produire de la chlorophylle. Seule la première variété peut réaliser la photosynthèse. L'absence de chlorophylle est liée à une mutation de l'ADN, ainsi les mutations modifient le métabolisme cellulaire.
Notons que les Euglènes sauvages lorsque la nourriture est abondante dans le milieu, rallentissent ou cessent de réaliser la photosynthèse et se nourrissent volontier. Cette modification de l'environnement se traduit par une adaptation et modification des cellules. Les gènes produisant la chlorophylle peuvent dans de telles conditions se mettre au repos et cesser la fabrication de cette molécule devenue inutile selon les nouvelles conditions du milieu. Ce phénomène est réversible en cas de disette.
Le métabolisme (catabolisme et anabolisme) est sous la dépendance de présence d'énergie et sous la direction d'enzymes, elles mêmes composées sous des plans de fabrication ou gènes présents au sein des molécules d'ADN. Par mutation une réaction métabolique peut être perdue ou modifiée, l'environnement pouvant quant à lui avoir une influence sur l'expression de certaines réactions métaboliques selon les besoins et la situation. Ces éléments fonctionnels renforcent la notion d'unité du vivant.
Nous conforterons la notion d'unité cellulaire puis nous détaillerons un peu la manière dont l'ADN et donc le patrimoine génétique peut diriger la structure et le fonctionnement des êtres vivants.

metabolisme_cell
bar

CH.2 - 4. Tous les êtres vivants sont constitués de cellules


Nous confortons ici la notion d'unité cellulaire.
cellulesdiverses
Comme nous l'avons déjà vu, tous les êtres vivants sont constitués de cellules entourées par une membrane phospholipidique et parfois protégées par une paroi supplémentaire. L'espace limité par la membrane cellulaire s'appelle le cytoplasme et contient des organites (voir plus bas).

photosynthesesimple
©© bysa - Pseudonymes - Wikipedia - Photosynthèse au niveau de la Plante

Les cellules échangent de la matière et de l'énergie avec leur environnement. Ainsi dans l'exemple de la photosynthèse que nous avons déjà évoqué de la matière entre dans la cellule ( CO2 et H2O) et sous l'action d'enzymes et de la chlorophylle utilisant de l'énergie solaire produit du glucose (un glucide simple) et de l'O2 (déchet rejété dans l'environnement). C'est ici l'occasion de constater que le dioxygène présent pour 1/5ème dans la composition de notre atmosphère trouve son origine dans cette réaction de l'anabolisme. La photosynthèse est réalisée dans de petites structures particulières dans la cellule (organites) riches en chlorophylle, nommées chloroplastes.

photosynthesecellulaire
Photosynthèse au niveau de la cellule et du chloroplaste

eugleneanatomie
©© bysa - Pseudonyme - Wikipedia - Schéma d'une Euglène
1 et 9. Membrane formée de deux couches phospholipidiques - 2. Vacuole contractile (pompe à eau, équilibre hydrique de la cellule) - 3.  Mitochondrie (lieu de la respiration produisant l'énergie nécessaire aux mouvements ou au fonctionnement cellulaire) - 4. Flagelle (permet le déplacement de la cellule dans l'eau) - 5.6 et 7. Appareil cinétique (fait bouger le flagelle) - 8. Chloroplaste (lieu de la photosynthèse) - 10. Noyau (contient l'ADN et donc le patrimoine génétique) entouré d'une enveloppe nucléaire protectrice - 11. Nucléole (annexe du noyau).
L'ensemble des organites présentés ici baignent dans le "cytoplasme" (s.l.) ponctué de granules à fonctions diverses.

L'Euglène est une sorte de mélange entre animal (se déplace) et végétal (réalise la photosynthèse). Les cellules végétales classiques ne se déplacent pas et présentent de plus une paroi cellulaire supplémentaire (voir schéma en haut de page ou photo ci-dessous).

cellulevegetale
©© bysa - K.Peters - Wikipedia

Nous avons vu un Euglène mutant qui ne produit pas de chlorophylle et n'a pas de chloroplaste dans une paragraphe précédent. Sa structure est proche de celle des cellules animales. Les cellules animales n'ont pas de chloroplastes et ne possèdent pas de paroi.
Le patrimoine génétique des cellules animales et des cellules végétales est dans les deux cas inclus sous forme d'ADN protégé dans le noyau. De telles cellules possédant un noyau appartiennent au groupe des Eucaryotes et on en déduit une certaine parenté entre le monde végétal et animal.

procaryote
L'ensemble des granulosités et l'ADN circulaire baignent directement dans le cytoplasme bactérien (en bleu).

Les bactéries ne possèdent pas de noyau, ce sont des Procaryotes. Néanmoins elles possèdent l'ADN nécessaire à la direction de leur structure et de leur fonctionnement sous une forme circulaire directement dans le cytoplasme. Elles sont nettement plus petites que les Eucaryotes. Leur structure plus simple ressemble à celle de certains organites comme les chloroplastes ou les mitochondries. Ce type de structure plus primitive se trouve plus proche des origines de la Vie dans le cadre de l'évolution du vivant.
atomeNous avons déjà vu l'échelle de l'atome...

eaumoleculechlorophyllemol
Chaque boule ici sur ces schémas de la molécule d'eau (à gauche) et de chlorophylle (à droite) corresponds à un atome. Les atomes sont reliés entre-eux par des liaisons chimiques dans les molécules.
On trouve chez les Eucaryotes des organites comme les chloroplastes qui sont le résultat d'un savant agencement de molécules actives. Ceux-ci baignent dans le "cytoplasme" (s.l.) qui entourés de la membrane cellulaire forme la cellule. Les cellules s'agencent par groupes spécifiques, les tissus qui forment nos organes comme le coeur ou le foie, l'ensemble des organes constituant un individu ou organisme. Les organismes les plus simples ne sont constitués que d'une seule cellule, et parmi eux les Procaryotes sont encore plus primitifs dans l'histoire de la Vie. Les êtres vivants plus complexes sont pluricellulaires comme l'Homme qui est formé de milliards de cellules.

Au sein d'une certaine diversité (Procaryotes, Eucaryotes végétaux ou animaux), tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Les cellules eucaryotiques contiennent des organites aux fonctions spécifiques et dont certains ressemblent à des cellules procaryotiques. De cet ensemble se dégage une parenté commune aux êtres vivants, avec des formes plus simples ou primitives et des formes plus complexes engageant la notion d'évolution de génération en génération au cours de l'histoire de la Vie.
bar
Prolongement
mitochondrieanatomie
Les mitochondries sont comme nous l'avons vu plus haut, le domaine de la respiration cellulaire chez les Eucaryotes comme les Euglènes. Ces organites jouent un rôle essentiel dans la production d'énergie utilisable par les cellules. Il a été démontré que les mitochondries étaient d'anciennes Bactéries (Procaryotes). Les cellules Eucaryotes sont donc issues de cellules dépourvues de mitochondries ayant intégré dans leur cytoplasme des Bactéries. Quels sont les arguments en faveurs du fait que les mitochondries sont d'anciennes Bactéries si on se base sur le schéma ci-dessus ?
bar
Vidéos de prolongement - Unité de structure du vivant les cellules - Structure de la cellule et fonction des organites (11 minutes)
bar
Un peu de précision : Le hyaloplasme est le véritable nom donné à la substance qui baigne les organites. Le cytoplasme comprend le hyaloplasme et les organites.
bar

CH.2 - 5. La structure et le fonctionnement des êtres vivants est dirigé par l'ADN


Nous détaillons ici la manière dont l'ADN et donc le patrimoine génétique peut diriger la structure et le fonctionnement des êtres vivants. L'ADN est une molécule codée et variable.
Une des manières les plus simples de montrer le rôle de l'ADN dans l'expression des gènes propres aux structures et des fonctions consiste à substituer un noyau par un autre dans un ovule.

transfertnoyau
Le cytoplasme n'a pas de fonction génétique, puisque le cytoplasme de la souris blanche n'interfère pas. La mère porteuse n'a pas de fonction génétique puisque la souris noire n'interfère pas. Par contre le noyau contenant l'ADN détermine la naissance d'une souris marron. Ceci prouve l'action du noyau, mais pas clairement celle de l'ADN. On peut alors isoler un gène et le transférer au sein du génome d'un autre être vivant : il s'agit d'une transgenèse. Par exemple on extrait le gène de la fluorescence d'une Méduse particulière et on l'intègre dans l'ADN d'un embryon de Souris. On constate que le souriceau exprime ce gène et est fluorescent lorsqu'il est éclairé par une lumière adaptée.

medusefluor
Méduse fluorescente - (source)

fluormice
©© by - Wikipedia (source) - Les deux souris sur les côtés sont fluorescentes lorsqu'elles sont éclairées par une lumière adéquate

On doit considérer que la diversité de la couleur des Souris est conditionnée par des mutation de leur ADN. L'expérience de transgenèse du gène de la fluorescence montre clairement que le fragment d'ADN considéré (ou gène) conditionne l'expression de la fluorescence. De plus les gènes sont interprétés de manière universelle entre des êtres vivants très différents comme ici les Méduses et les Souris.

adnimage
©© bysa - G.A.Trujillo Escobedo -  Flickr - Image électronique de la molécule d'ADN

Pour mieux comprendre l'ADN et son action il s'agit d'étudier sa structure moléculaire. L'ADN est une très grande molécule "linéaire" très simple formée d'une double hélice de chaînes nucléotidiques. Chaque hélice n'est composée que de 4 sortes de nucléotides que nous appellerons pour simplifier A, C, G et T. Face à face, chaque hélice est complémentaire : au A correspond un T et au C correspond un G et vice versa.
adnsimple
Complémentarité des nucléotides selon les deux hélices de l'ADN

L'ADN forme un code séquentiel de nucléotides (lu trois par trois) et conditionnant l'un des 20 acides aminés qui forment les chaînes protidiques. Le tableau ci-dessous correspond au décodage (nucléotide -> messager intermédiaire -> acide aminé). C'est un tableau à trois entrées (1ère, 2ème et 3ème position).

tabcodegen
Par exemple le code ADN : GTATTACCA donne un messager intermédiaire CAUAAUGGU qui donne une séquence d'acides aminés : histidine-asparagine-glycine, élément d'une chaîne protitidique. Chaque chaîne protitidique est en conséquence liée à un gène issu de l'ADN. Elle peut être produite à volonté par la cellule et conditionner une structure ou un fonctionnement. Ainsi l'enzyme qui produit la fluorescence chez la Méduse étudiée plus haut, est-elle conditionnée par un gène dont la séquence détermine la composition de l'enzyme. La Souris utilisant ce gène après transgenèse produit cette enzyme et elle est fluorescente.

Des expériences prouvent que l'ADN est le support de l'information génétique propre à déterminer les structures et fonctions des êtres vivants. Cette très grande molécule est formée de deux hélices complémentaires de nucléotides (A, C, G et T) conditionnant la structure des protéines dont les enzymes si importantes pour le métabolisme. Tout changement, c'est à dire mutation, sur l'ADN se traduit par une variation possible du métabolisme ou de la structure des êtres vivants.
Les êtres vivants, très diversifiés, possèdent un ADN plus ou moins complexe, leur permettant de déterminer des structures et des fonctionnements très divers. Ainsi l'ADN de Méduse fabrique une Méduse, l'ADN de Souris fabrique une Souris. Néanmoins un gène de Méduse transféré à une Souris fabriquera des enzymes de Méduses récupérés par la Souris.
La duplication de l'ADN permet se transmission perenne de cellule en cellule lors de leurs divisions. Il s'agit d'une des bases simples de la reproduction et de la pérennité des espèces vivantes.

caryohommecaryodroso
Par une technique spéciale (caryotype) il est possible de voir toutes les molécules d'ADN d'une cellule d'être vivant. Nous avons ici à gauche le caryotype d'un Humain et encadré à droite le caryotype d'une petite Mouche, la Drosophile. On constate rapidement que la quantité d'ADN n'est pas la même et qu'en conséquence le génome diffère. Le premier contient tout le code nécessaire à la fabrication et au fonctionnement d'un Humain, le second de même pour une Drosophile. Toute mutation est généralement source de variations.
bar
Prolongement
chromosomeanat
Ce schéma montre que l'ADN se trouve "hyperpelotonné" dans les chromosomes visibles au moment des divisions cellules. Chaque chrosome double contient en fait deux molécules d'ADN identiques.