Théorie cellulaire - Cell theory

Les cellules cancéreuses humaines avec des noyaux (en particulier l'ADN) colorées en bleu. La cellule centrale et la plus à droite sont en interphase , de sorte que les noyaux entiers sont marqués. La cellule de gauche est en mitose et son ADN s'est condensé.
Fait partie d'une série sur
La biologie
ADN simple.svg
Science de la vie
Éléments essentiels
  • Propriétés de la vie
Branches
Recherche
Applications

En biologie , la théorie cellulaire est une théorie scientifique formulée pour la première fois au milieu du XIXe siècle, selon laquelle les organismes vivants sont constitués de cellules , qu'ils sont l'unité structurelle/organisationnelle de base de tous les organismes et que toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes. . Les cellules sont l'unité de base de la structure de tous les organismes et aussi l'unité de base de la reproduction.

Les trois principes de la théorie cellulaire sont décrits ci-dessous :

  1. Tous les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules.
  2. La cellule est l'unité de base de la structure et de l'organisation des organismes.
  3. Les cellules proviennent de cellules préexistantes.

La théorie était autrefois universellement acceptée, mais maintenant certains biologistes considèrent des entités non cellulaires telles que les virus des organismes vivants, et sont donc en désaccord avec le premier principe. A partir de 2021 : « l'opinion des experts reste divisée à environ un tiers chacun entre oui, non et ne sait pas ». Comme il n'existe pas de définition universellement acceptée de la vie , la discussion se poursuivra.

Histoire

Avec des améliorations continuelles apportées aux microscopes au fil du temps, la technologie de grossissement a suffisamment évolué pour découvrir les cellules. Cette découverte est en grande partie attribuée à Robert Hooke , et a commencé l'étude scientifique des cellules, connue sous le nom de biologie cellulaire . En observant un morceau de liège sous la lunette, il a pu voir des pores. C'était choquant à l'époque car on pensait que personne d'autre ne les avait vus. Pour étayer davantage sa théorie, Matthias Schleiden et Theodor Schwann ont tous deux étudié les cellules animales et végétales. Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'il y avait des différences significatives entre les deux types de cellules. Cela a mis en avant l'idée que les cellules n'étaient pas seulement fondamentales pour les plantes, mais aussi pour les animaux.

Microscopes

Informations complémentaires : Microscope § L'essor des microscopes optiques modernes
Une reproduction du microscope d'Anton van Leeuwenhoek du 17ème siècle avec un grossissement de 300x
Le microscope de Robert Hooke

Le microscope de Robert Hooke était une recréation du microscope d' Anton van Leeuwenhoek au 17ème siècle, sauf que son grossissement était de 300x. La découverte de la cellule a été rendue possible grâce à l'invention du microscope. Au premier siècle avant JC, les Romains étaient capables de fabriquer du verre. Ils ont découvert que les objets semblaient être plus gros sous le verre . En Italie au XIIe siècle, Salvino D'Armate a fait passer un morceau de verre sur un œil, permettant un effet de grossissement à cet œil. L'utilisation accrue des lentilles dans les lunettes au 13ème siècle a probablement conduit à une utilisation plus répandue de microscopes simples ( loupes ) avec un grossissement limité. Les microscopes composés , qui combinent une lentille d' objectif avec un oculaire pour visualiser une image réelle atteignant un grossissement beaucoup plus élevé, sont apparus pour la première fois en Europe vers 1620. En 1665, Robert Hooke a utilisé un microscope d'environ six pouces de long avec deux lentilles convexes à l'intérieur et a examiné des spécimens sous réflexion lumière pour les observations dans son livre Micrographia . Hooke a également utilisé un microscope plus simple avec une seule lentille pour examiner les spécimens avec une lumière directement transmise, car cela permettait d'obtenir une image plus claire.

Une étude microscopique approfondie a été réalisée par Anton van Leeuwenhoek , un drapier qui s'est intéressé aux microscopes après en avoir vu un lors d'un apprentissage à Amsterdam en 1648. À un moment de sa vie avant 1668, il a pu apprendre à meuler des lentilles. Cela a finalement conduit Leeuwenhoek à fabriquer son propre microscope unique. Il en a fait un avec un seul objectif. Il a pu utiliser un seul objectif qui était une petite sphère de verre mais permettait un grossissement de 270x. Il s'agissait d'une grande progression puisque le grossissement n'était auparavant que de 50x au maximum. Après Leeuwenhoek, il n'y a pas eu beaucoup de progrès dans la technologie des microscopes jusqu'aux années 1850, deux cents ans plus tard. Carl Zeiss , un ingénieur allemand qui fabriquait des microscopes, a commencé à apporter des modifications aux lentilles utilisées. Mais la qualité optique ne s'est pas améliorée jusqu'aux années 1880 quand il a embauché Otto Schott et finalement Ernst Abbe .

Les microscopes optiques peuvent se concentrer sur des objets de la taille d'une longueur d'onde ou plus, ce qui limite encore l'avancement des découvertes avec des objets plus petits que les longueurs d'onde de la lumière visible . Le développement du microscope électronique dans les années 1920 a permis de visualiser des objets plus petits que les longueurs d'onde optiques, ouvrant à nouveau de nouvelles possibilités en science.

Découverte des cellules

Dessin de la structure du liège par Robert Hooke paru dans Micrographia

La cellule a été découverte pour la première fois par Robert Hooke en 1665, qui peut être trouvée décrite dans son livre Micrographia . Dans ce livre, il a donné 60 « observations » en détail de divers objets sous un microscope grossier et composé. Une observation concernait des tranches très fines de bouchon de bouteille . Hooke a découvert une multitude de minuscules pores qu'il a nommés « cellules ». Cela vient du mot latin Cella , qui signifie «une petite pièce» dans laquelle vivaient les moines et aussi Cellulae , qui signifiait la cellule à six côtés d'un nid d'abeilles. Cependant, Hooke ne connaissait pas leur véritable structure ou fonction. Ce que Hooke avait pensé être des cellules, étaient en fait des parois cellulaires vides de tissus végétaux. Avec des microscopes pendant cette période ayant un faible grossissement, Hooke était incapable de voir qu'il y avait d'autres composants internes dans les cellules qu'il observait. Par conséquent, il ne pensait pas que les "cellules" étaient vivantes. Ses observations cellulaires n'ont donné aucune indication sur le noyau et les autres organites trouvés dans la plupart des cellules vivantes. Dans Micrographia , Hooke a également observé des moisissures, de couleur bleuâtre, trouvées sur le cuir. Après l'avoir étudié au microscope, il n'a pas pu observer de « graines » qui auraient indiqué comment la moisissure se multipliait en quantité. Cela a conduit Hooke à suggérer que la génération spontanée, à partir de la chaleur naturelle ou artificielle, en était la cause. Comme il s'agissait d'une vieille théorie aristotélicienne encore acceptée à l'époque, d'autres ne l'ont pas rejetée et n'a pas été réfutée jusqu'à ce que Leeuwenhoek découvre plus tard que la génération a été réalisée autrement.

Anton van Leeuwenhoek est un autre scientifique qui a vu ces cellules peu après Hooke. Il a utilisé un microscope contenant des lentilles améliorées qui pouvaient grossir les objets près de 300 fois, ou 270x. Sous ces microscopes, Leeuwenhoek a trouvé des objets mobiles. Dans une lettre à la Royal Society du 9 octobre 1676, il déclare que la motilité est une qualité de vie et qu'il s'agissait donc d'organismes vivants. Au fil du temps, il a écrit de nombreux autres articles décrivant de nombreuses formes spécifiques de micro - organismes . Leeuwenhoek a nommé ces « animalcules », qui comprenaient des protozoaires et d'autres organismes unicellulaires, comme des bactéries . Bien qu'il n'ait pas eu beaucoup d'éducation formelle, il a pu identifier la première description précise des globules rouges et découvert des bactéries après s'être intéressé au sens du goût qui a conduit Leeuwenhoek à observer la langue d'un bœuf, puis l'a amené à étudier « eau poivrée » en 1676. Il trouva aussi pour la première fois des spermatozoïdes d'animaux et d'humains. Une fois ces types de cellules découverts, Leeuwenhoek a constaté que le processus de fécondation nécessite que le spermatozoïde pénètre dans l' ovule . Cela a mis fin à la théorie précédente de la génération spontanée . Après avoir lu des lettres de Leeuwenhoek, Hooke fut le premier à confirmer ses observations que d'autres contemporains pensaient improbables.

Les cellules des tissus animaux ont été observées après les plantes, car les tissus étaient si fragiles et susceptibles de se déchirer qu'il était difficile de préparer des tranches aussi minces pour l'étude. Les biologistes croyaient qu'il y avait une unité fondamentale à la vie, mais ne savaient pas de quoi il s'agissait. Ce n'est que plus de cent ans plus tard que cette unité fondamentale a été connectée à la structure cellulaire et à l'existence de cellules chez les animaux ou les plantes. Cette conclusion n'a été faite qu'avec Henri Dutrochet . En plus d'affirmer que « la cellule est l'élément fondamental de l'organisation », Dutrochet a également affirmé que les cellules n'étaient pas seulement une unité structurelle, mais aussi une unité physiologique.

En 1804, Karl Rudolphi et JHF Link ont reçu le prix pour « résoudre le problème de la nature des cellules », ce qui signifie qu'ils ont été les premiers à prouver que les cellules avaient des parois cellulaires indépendantes par la Königliche Societät der Wissenschaft (Royal Society of Science), Göttingen. Avant, on pensait que les cellules partageaient des parois et que le fluide passait entre elles de cette façon.

Théorie cellulaire

Matthias Jakob Schleiden (1804-1881)
Theodor Schwann (1810–1882)

Le mérite du développement de la théorie cellulaire est généralement attribué à deux scientifiques : Theodor Schwann et Matthias Jakob Schleiden . Alors que Rudolf Virchow a contribué à la théorie, il n'est pas aussi crédité pour ses attributions à son égard. En 1839, Schleiden a suggéré que chaque partie structurelle d'une plante était constituée de cellules ou le résultat de cellules. Il a également suggéré que les cellules étaient fabriquées par un processus de cristallisation soit à l'intérieur d'autres cellules, soit à partir de l'extérieur. Cependant, ce n'était pas une idée originale de Schleiden. Il a revendiqué cette théorie comme la sienne, bien que Barthélémy Dumortier l' ait énoncée des années avant lui. Ce processus de cristallisation n'est plus accepté par la théorie cellulaire moderne . En 1839, Theodor Schwann déclare qu'avec les plantes, les animaux sont composés de cellules ou du produit de cellules dans leurs structures. Il s'agissait d'une avancée majeure dans le domaine de la biologie, car on en savait peu sur la structure animale jusqu'à présent par rapport aux plantes. À partir de ces conclusions sur les plantes et les animaux, deux des trois principes de la théorie cellulaire ont été postulés.

1. Tous les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules
2. La cellule est l'unité de vie la plus élémentaire

La théorie de Schleiden de la formation de cellules libres par cristallisation a été réfutée dans les années 1850 par Robert Remak , Rudolf Virchow et Albert Kolliker . En 1855, Rudolf Virchow a ajouté le troisième principe à la théorie cellulaire. En latin, ce principe énonce Omnis cellula e cellula . Cela s'est traduit par :

3. Toutes les cellules ne proviennent que de cellules préexistantes

Cependant, l'idée que toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes avait en fait déjà été proposée par Robert Remak ; il a été suggéré que Virchow a plagié Remak et ne lui a pas accordé de crédit. Remak a publié des observations en 1852 sur la division cellulaire, affirmant que Schleiden et Schawnn étaient incorrects sur les schémas de génération. Il a plutôt dit que la fission binaire , qui a été introduite pour la première fois par Dumortier, était la façon dont la reproduction de nouvelles cellules animales était faite. Une fois ce principe ajouté, la théorie cellulaire classique était complète.

Interprétation moderne

Les parties généralement acceptées de la théorie cellulaire moderne comprennent :

  1. Tous les êtres vivants connus sont constitués d'une ou plusieurs cellules
  2. Toutes les cellules vivantes proviennent de cellules préexistantes par division.
  3. La cellule est l'unité fondamentale de la structure et de la fonction de tous les organismes vivants.
  4. L'activité d'un organisme dépend de l'activité totale de cellules indépendantes.
  5. Le flux d'énergie ( métabolisme et biochimie ) se produit à l'intérieur des cellules.
  6. Les cellules contiennent de l' ADN qui se trouve spécifiquement dans le chromosome et de l' ARN dans le noyau et le cytoplasme des cellules.
  7. Toutes les cellules ont fondamentalement la même composition chimique dans les organismes d'espèces similaires.

Version moderne

La version moderne de la théorie cellulaire comprend les idées qui :

  • Le flux d'énergie se produit à l'intérieur des cellules.
  • L'information sur l'hérédité ( ADN ) est transmise de cellule à cellule.
  • Toutes les cellules ont la même composition chimique de base.

Concepts opposés en théorie cellulaire : histoire et contexte

La cellule a été découverte pour la première fois par Robert Hooke en 1665 à l'aide d'un microscope. La première théorie cellulaire est attribuée aux travaux de Theodor Schwann et Matthias Jakob Schleiden dans les années 1830. Dans cette théorie, le contenu interne des cellules était appelé protoplasme et décrit comme une substance gélatineuse, parfois appelée gelée vivante. À peu près à la même époque, la chimie colloïdale a commencé son développement et les concepts d' eau liée ont émergé. Un colloïde étant quelque chose entre une solution et une suspension , où le mouvement brownien est suffisant pour empêcher la sédimentation . L'idée d'une membrane semi - perméable , une barrière perméable aux solvants mais imperméable aux molécules de soluté a été développée à peu près au même moment. Le terme osmose est né en 1827 et son importance pour les phénomènes physiologiques a été réalisée, mais ce n'est qu'en 1877, lorsque le botaniste Pfeffer a proposé la théorie membranaire de la physiologie cellulaire . Dans cette vue, la cellule était entourée d'une surface mince, la membrane plasmique , et l'eau de la cellule et les solutés tels qu'un ion potassium existaient dans un état physique semblable à celui d'une solution diluée . En 1889, Hamburger a utilisé l' hémolyse des érythrocytes pour déterminer la perméabilité de divers solutés. En mesurant le temps nécessaire aux cellules pour gonfler au-delà de leur limite élastique, la vitesse à laquelle les solutés pénétraient dans les cellules pouvait être estimée par le changement de volume cellulaire qui l'accompagnait. Il a également découvert qu'il y avait un volume apparent de non-solvant d'environ 50 % dans les globules rouges et a montré plus tard que cela incluait de l'eau d'hydratation en plus des protéines et d'autres composants non-solvants des cellules.

Évolution des théories de la membrane et de la phase en vrac

Deux concepts opposés développés dans le cadre d'études sur l' osmose , la perméabilité et les propriétés électriques des cellules. Le premier soutenait que ces propriétés appartenaient toutes à la membrane plasmique alors que l'autre point de vue prédominant était que le protoplasme était responsable de ces propriétés. La théorie des membranes s'est développée comme une succession d'ajouts et de modifications ad hoc à la théorie pour surmonter les obstacles expérimentaux. Overton (un cousin éloigné de Charles Darwin ) a proposé pour la première fois le concept d'une membrane plasmique lipidique (huile) en 1899. La principale faiblesse de la membrane lipidique était le manque d'explication de la haute perméabilité à l'eau, alors Nathansohn (1904) a proposé la théorie de la mosaïque. Dans cette vue, la membrane n'est pas une couche lipidique pure, mais une mosaïque de zones à lipide et de zones à gel semi-perméable. Ruhland a affiné la théorie de la mosaïque pour inclure des pores pour permettre le passage supplémentaire de petites molécules. Étant donné que les membranes sont généralement moins perméables aux anions , Leonor Michaelis a conclu que les ions sont adsorbés sur les parois des pores, modifiant la perméabilité des pores aux ions par répulsion électrostatique . Michaelis a démontré le potentiel membranaire (1926) et a proposé qu'il soit lié à la distribution des ions à travers la membrane.

Harvey et Danielli (1939) ont proposé une membrane bicouche lipidique recouverte de chaque côté d'une couche de protéines pour tenir compte des mesures de tension de surface. En 1941, Boyle & Conway ont montré que la membrane du muscle de la grenouille était perméable à la fois à K+
et Cl−
, mais apparemment pas à Na+
, donc l'idée de charges électriques dans les pores était inutile car une seule taille de pore critique expliquerait la perméabilité à K+
, H+
, et Cl−
ainsi que l'imperméabilité au Na+
, Ca+
, et mg2+
. Au cours de la même période, il a été montré (Procter & Wilson, 1916) que les gels, qui n'ont pas de membrane semi-perméable, gonflent dans les solutions diluées.

Loeb (1920) a également étudié de manière approfondie la gélatine , avec et sans membrane, montrant qu'une plus grande partie des propriétés attribuées à la membrane plasmique pouvait être dupliquée dans les gels sans membrane. En particulier, il a constaté qu'une différence de potentiel électrique entre la gélatine et le milieu extérieur pourrait être développée, basée sur le H+
concentration. Certaines critiques de la théorie des membranes développées dans les années 1930, basées sur des observations comme la capacité de certaines cellules à gonfler et à multiplier leur surface par un facteur 1000. Une couche lipidique ne peut s'étirer à ce point sans devenir un patchwork (perdant ainsi son propriétés barrières). De telles critiques ont stimulé la poursuite des études sur le protoplasme en tant qu'agent principal déterminant les propriétés de perméabilité cellulaire.

En 1938, Fischer et Suer ont proposé que l'eau dans le protoplasme n'est pas libre mais sous une forme chimiquement combinée - le protoplasme représente une combinaison de protéines, de sel et d'eau - et ont démontré la similitude fondamentale entre le gonflement des tissus vivants et le gonflement de la gélatine et gels de fibrine . Dimitri Nasonov (1944) considérait les protéines comme les composants centraux responsables de nombreuses propriétés de la cellule, y compris les propriétés électriques. Dans les années 1940, les théories de la phase globale n'étaient pas aussi développées que les théories membranaires. En 1941, Brooks & Brooks ont publié une monographie, "La perméabilité des cellules vivantes", qui rejette les théories de la phase de masse.

Emergence du concept de pompe à membrane en régime permanent

Avec le développement des traceurs radioactifs , il a été montré que les cellules ne sont pas imperméables au Na+
. Cela était difficile à expliquer avec la théorie de la barrière membranaire, de sorte que la pompe à sodium a été proposée pour éliminer continuellement le Na+
car il imprègne les cellules. Cela a conduit à l'idée que les cellules sont dans un état d' équilibre dynamique , utilisant constamment de l'énergie pour maintenir les gradients ioniques . En 1935, Karl Lohmann  [ de ] a découvert l' ATP et son rôle en tant que source d'énergie pour les cellules, c'est pourquoi le concept d'une pompe à sodium à entraînement métabolique a été proposé. L'énorme succès de Hodgkin , Huxley et Katz dans le développement de la théorie membranaire des potentiels de membrane cellulaire, avec des équations différentielles qui modélisaient correctement les phénomènes, a fourni encore plus de soutien à l'hypothèse de la pompe membranaire.

La vision moderne de la membrane plasmique est celle d'une bicouche lipidique fluide contenant des composants protéiques intégrés. La structure de la membrane est maintenant connue en détail, y compris les modèles 3D de plusieurs des centaines de protéines différentes qui sont liées à la membrane. Ces développements majeurs de la physiologie cellulaire ont placé la théorie des membranes en position dominante et ont stimulé l'imagination de la plupart des physiologistes, qui acceptent maintenant apparemment la théorie comme un fait - il y a cependant quelques dissidents.

La réémergence des théories de la phase en vrac

En 1956, Afanasy S. Troshin publia un livre, The Problems of Cell Permeability , en russe (1958 en allemand, 1961 en chinois, 1966 en anglais) dans lequel il découvrit que la perméabilité était d'importance secondaire dans la détermination des modèles d'équilibre entre la cellule et son environnement. Troshin a montré que l'eau des cellules diminuait dans les solutions de galactose ou d'urée, bien que ces composés pénétraient lentement les cellules. Étant donné que la théorie de la membrane nécessite un soluté impermanent pour maintenir le rétrécissement cellulaire, ces expériences jettent le doute sur la théorie. D'autres se sont demandé si la cellule disposait de suffisamment d'énergie pour alimenter la pompe à sodium/potassium. Ces questions sont devenues encore plus urgentes à mesure que des dizaines de nouvelles pompes métaboliques ont été ajoutées à mesure que de nouveaux gradients chimiques ont été découverts.

En 1962, Gilbert Ling est devenu le champion des théories de la phase de masse et a proposé son hypothèse d'association-induction de cellules vivantes.

Types de cellules

Article principal: Types de cellules
Cellule procaryote .
Cellule eucaryote.

Les cellules peuvent être subdivisées dans les sous-catégories suivantes :

  1. Procaryotes : Les procaryotes sont des cellules relativement petites entourées par la membrane plasmique, avec une paroi cellulaire caractéristique dont la composition peut différer selon l'organisme particulier. Les procaryotes n'ont pas de noyau (bien qu'ils aient un ADN circulaire ou linéaire) et d'autres organites liés à la membrane (bien qu'ils contiennent des ribosomes ). Le protoplasme d'un procaryote contient la région chromosomique qui apparaît sous forme dedépôts fibreux au microscope et le cytoplasme . Les bactéries et les archées sont les deux domaines des procaryotes.
  2. Eucaryotes : Les eucaryotes sont les premières cellules complexes, qui ont été étiquetées proto-eucaryotes. Au fil du temps, ces cellules ont acquis un symbiote mitochondrial et ont ensuite développé un noyau. Ceci, parmi d'autres changements, a posé comme la différence significative entre les deux.

Les animaux ont développé une plus grande diversité de types de cellules dans un corps multicellulaire (100 à 150 types de cellules différents), contre 10 à 20 chez les plantes, les champignons et les protoctistas.

Voir également

Les références

Bibliographie

Lectures complémentaires

Liens externes