Exercices: La cellule, unité des êtres vivants

Énoncer avec vos propres mots les trois idées de base de la théorie cellulaire.

La pyramide représente les cinq niveaux d'organisation des êtres vivants, du plus simple (base, niveau 1) au plus complexe (sommet, niveau 5), mais leurs noms ont été effacés. Placer dans le niveau qui convient ces termes — organisme, cellule, organe, tissu et appareil — et donner un exemple de chaque niveau dans le corps humain.

Quelle est la plus petite unité que l'on puisse considérer comme vivante ? Expliquer pourquoi un organite isolé, par exemple une mitochondrie, n'est pas un être vivant.

Expliquer ce qu'est un tissu et donner deux exemples dans le corps humain, en indiquant ce que font leurs cellules.

Qu'est-ce qu'un organe ? Nommer trois organes du corps humain et expliquer brièvement la fonction de chacun.

Expliquer la différence entre un être unicellulaire et un être pluricellulaire, et donner un exemple de chaque type.

Avec quel instrument les cellules ont-elles été découvertes ? Expliquer pourquoi on ne peut pas les voir à l'œil nu et pourquoi leur découverte est arrivée si tard dans l'histoire.

Le jaune d'un œuf de poule est une seule cellule géante qui se voit parfaitement à l'œil nu. Expliquer pourquoi c'est une exception à la règle selon laquelle les cellules sont microscopiques et ce qu'elle contient pour que le poussin puisse se développer.

Un être humain est constitué de milliards de cellules. Décrire la chaîne complète des niveaux d'organisation qui va d'un neurone à l'organisme, en nommant chaque niveau intermédiaire avec un exemple.

Classer ces êtres vivants en unicellulaires ou pluricellulaires : une bactérie, une amibe, un champignon, un ver de terre et un chêne. Quels avantages, selon vous, offre le fait d'être pluricellulaire ?

Presque toutes les cellules sont microscopiques. Expliquer pourquoi il est avantageux que les cellules soient petites, en pensant à la façon dont elles échangent des substances avec l'extérieur à travers leur membrane.

Décrire la chaîne complète des niveaux d'organisation chez un chêne, depuis une cellule d'une feuille jusqu'à l'arbre entier, en nommant chaque niveau.

Choisir deux systèmes d'organes du corps humain (par exemple, l'appareil digestif et l'appareil respiratoire), nommer deux organes de chacun et expliquer quelle tâche chaque système réalise dans son ensemble.

Dans ton corps, il existe des cellules très spécialisées : le neurone transmet des signaux, le globule rouge transporte le dioxygène et la cellule musculaire se contracte. Expliquer ce que signifie le fait que les cellules « se répartissent le travail » dans un être pluricellulaire et quel avantage cela représente.

Quand on se fait une petite coupure sur la peau, la plaie se referme au bout de quelques jours. Expliquer, à l'aide de la théorie cellulaire, ce que les cellules de la zone ont fait pour la réparer et ce qui se passerait si elles ne pouvaient pas se diviser.

Expliquer avec ses propres mots ce que signifie la phrase « toute cellule provient d'une autre cellule » et quelle en est la conséquence : tous les êtres vivants actuels sont reliés par une chaîne de divisions cellulaires qui remonte très loin dans le temps.

Un camarade de classe affirme : « Pour qu'un éléphanteau grandisse jusqu'à devenir un adulte de 5000 kg, ses cellules doivent devenir des milliers de fois plus grosses que celles d'une souris nouveau-née ».\na) Réfuter son affirmation en expliquant pourquoi les cellules ne peuvent pas grossir indéfiniment (penser aux difficultés qu'aurait une cellule géante pour que les nutriments et le dioxygène atteignent tout son intérieur à travers la membrane).\nb) Expliquer quel mécanisme cellulaire permet réellement à un organisme d'augmenter de taille sans que ses cellules cessent d'être microscopiques.

Dans un laboratoire, on réalise l'expérience suivante : on sépare individuellement les cellules d'une colonie de l'algue microscopique Pandorina et, d'autre part, on sépare les cellules du tissu d'une algue pluricellulaire complexe (comme une laminaire). Toutes les cellules isolées sont placées dans des récipients contenant de l'eau et des nutriments.\na) Les cellules de Pandorina sont capables de survivre et de former seules de nouvelles colonies, alors que les cellules de l'algue complexe meurent peu de temps après. Justifier ce résultat en expliquant ce que possèdent les véritables organismes pluricellulaires (spécialisation et interdépendance des cellules) et dont une colonie est dépourvue.\nb) À partir de cela, déduire si une colonie peut être considérée comme un unique être vivant pluricellulaire ou comme un regroupement d'êtres unicellulaires.

Observer le paradoxe historique suivant : en 1665, Robert Hooke fut le premier à utiliser le mot « cellule » en regardant une lame de liège, mais il a fallu attendre près de deux siècles avant que soit formulé le premier principe de la théorie cellulaire (« tous les êtres vivants sont formés de cellules »).\na) Expliquer ce que Hooke a réellement observé dans le liège mort et pourquoi cette image ne lui a pas permis de découvrir l'intérieur vivant d'une cellule ni de comprendre que les animaux étaient eux aussi formés de cellules.\nb) Si l'on vous donnait aujourd'hui un échantillon inconnu à observer au microscope et que vous vouliez démontrer qu'il provient d'un organisme vivant et non de matière inerte, quelles caractéristiques ou quels composants cellulaires chercheriez-vous pour le justifier ?

Au XIXe siècle, Louis Pasteur a conçu une expérience pour vérifier si les micro-organismes apparaissaient par « génération spontanée » ou si l'idée de Virchow (« toute cellule provient d'une cellule antérieure ») se vérifiait :\n1. Il a fait bouillir un bouillon nutritif dans deux ballons pour éliminer toute cellule vivante présente.\n2. Le ballon A avait un col courbé en « S » (col de cygne), ouvert sur l'air mais avec une courbe où la poussière se déposait.\n3. Le col du ballon B a été coupé, le laissant ouvert à la verticale.\na) Prévoir ce qui se produira dans chaque ballon selon l'hypothèse de la génération spontanée et ce qui se produirait selon le principe de Virchow.\nb) Dans l'expérience réelle, seul le bouillon du ballon B s'est rempli de microbes. Justifier comment ce résultat démontre que les micro-organismes n'apparaissent pas à partir de rien et valide la théorie cellulaire.

Si l'on passe une éponge de mer vivante à travers un tamis fin, ses cellules se séparent en une suspension liquide, mais au bout de quelques heures elles se reconnaissent, se rassemblent de nouveau et reconstituent une éponge fonctionnelle. En revanche, si l'on faisait la même chose avec le tissu musculaire ou le cœur d'un poisson, les cellules isolées seraient incapables de reconstituer l'organe et mourraient.\na) Justifier pourquoi cela se produit en expliquant la différence entre le niveau d'organisation cellulaire d'une éponge et celui d'un animal possédant de vrais tissus.\nb) À partir de cette expérience, estimeriez-vous correct d'affirmer que l'éponge possède des organes ou des systèmes ? Argumenter votre réponse en vous appuyant sur la hiérarchie des niveaux d'organisation.

Le nerf sciatique d'une girafe contient des axones de neurones individuels qui peuvent mesurer plus de 1,5 m de longueur. Face à cette donnée, un élève affirme : « Si elle mesure un mètre et demi, ce neurone n'est plus microscopique et on pourrait le voir à l'œil nu sur une table comme un fil à coudre ».\na) Sachant que l'épaisseur de cet axone n'est que de 0,01 mm (10 micromètres), réfuter l'erreur de l'élève : expliquer pourquoi il reste une cellule microscopique malgré sa grande longueur.\nb) Comparer ce neurone allongé à une cellule sphérique imaginaire qui aurait exactement le même volume : laquelle des deux aura la plus grande surface extérieure pour échanger des substances avec son milieu ? Justifier pourquoi la forme allongée est avantageuse pour une cellule aussi étendue.

Une équipe médicale analyse quatre échantillons biologiques prélevés sur le corps humain et note ses observations :\n- Échantillon 1 : un myocyte (cellule musculaire) isolé capable de se contracter sous l'effet de stimulus.\n- Échantillon 2 : une lame de tissu musculaire cardiaque formée de milliers de myocytes synchronisés.\n- Échantillon 3 : le cœur entier, formé de tissu musculaire, conjonctif, nerveux et de vaisseaux sanguins.\n- Échantillon 4 : l'appareil circulatoire dans son ensemble (cœur, artères, veines et capillaires).\na) Classer les quatre échantillons du niveau d'organisation le plus simple au plus complexe et expliquer quelle nouvelle fonction apparaît en passant de l'échantillon 2 à l'échantillon 3, que l'échantillon 2 ne peut pas réaliser seul.\nb) Si une toxine détruisait exclusivement la structure contractile de tous les myocytes cardiaques, comme celui de l'échantillon 1, prévoir et justifier en cascade comment cette défaillance affecterait les niveaux représentés par les échantillons 2, 3 et 4, ainsi que la survie de l'organisme.

Les trois principes fondamentaux de la théorie cellulaire établissent que la cellule est l'unité structurale (tous les êtres vivants sont formés de cellules), fonctionnelle (la cellule réalise les trois fonctions vitales) et d'origine (toute cellule provient d'une cellule antérieure).\na) Analyser la structure et le mode de vie d'un virus au regard de ces trois principes : indiquer avec précision lesquels il ne respecte pas et justifier pourquoi.\nb) Un camarade affirme : « Comme les virus ont du matériel génétique et peuvent se multiplier en nous en provoquant des maladies, la théorie cellulaire se trompe en ne les considérant pas comme des êtres vivants ». Réfuter son affirmation en expliquant pourquoi les virus sont considérés comme des « parasites moléculaires obligatoires » et non comme des cellules indépendantes.