UAA3 : Unité et diversité des êtres vivants

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UAA3 : Unité et diversité des
êtres vivants
Partie I : Recherche d’éléments communs à tous les
êtres vivants
La cellule, unité de base du monde vivant
L'évolution de la science est souvent tributaire de l'invention d'instruments qui
permettent à l'être humain d'aller au-delà des limites de ses sens. En effet, l’observation
d’une cellule à l’œil nu est impossible. Ainsi, la découverte et l'étude des cellules auraient
été impossibles sans l'invention et le perfectionnement des microscopes au XVIIe siècle.
Un peu d’histoire…
En 1665, Robert Hooke, un chimiste, mathématicien, physicien et inventeur anglais
décrivit un certain nombre d'objets tels qu'il les a observés à l'aide d'un microscope
optique de sa fabrication. Il observe un fragment d'écorce de Chêne à l'aide de son
microscope grossissant 30X et découvre que cette écorce contient une multitude de
petites chambres. Pour les qualifier, il utilise le terme " cellules " car celles-ci lui faisaient
penser aux chambres des moines.
Microscope de Hooke
Cellules de liège observées par Hooke
Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723), de Delft aux PaysBas, a consacré toute sa vie à perfectionner une loupe de
drapier afin d’observer toutes sortes de cellules :
globules rouges humains ou d’animaux, levure de bière,
spermatozoïdes de différentes espèces, êtres
microscopiques des mares d’eau, cellules nerveuses et
musculaires… On lui doit de nombreux dessins, et
notamment la première représentation du noyau cellulaire.
Il n’imaginait cependant pas que toutes ces cellules étaient
comparables, ni que le corps humain en était entièrement constitué.
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C’est en 1839 que la théorie cellulaire prend forme avec le botaniste allemand Matthias
J. Schleiden et le zoologiste d’origine allemande Théodor Schwann, professeur à
l’Université de Louvain puis à Liège : « Tout organisme est formé de cellules et les
fonctions de l’organisme en entier ne représentent que la somme des fonctions
exécutées par ses cellules constitutives. »
En d’autres termes, l’unité de base de tout être vivant est la cellule et tous les
organismes vivants sont faits d’au moins une ou de plusieurs cellules que l’on ne peut
voir qu’au microscope, sauf exceptions.
Observation de différents types cellulaires par microscopie optique
Le microscope optique
Le microscope utilisé par Hooke est un microscope optique. On l’appelle ainsi car la
source d'éclairage est la lumière visible. La lumière traverse l'échantillon puis des lentilles
afin d'obtenir une image grossie. Pour ce faire, l'échantillon doit être très fin, on réalise
une coupe de l’échantillon à observer à l’aide d’un microtome (voir ci-dessous).
Microtome.
Les meilleurs microscopes optiques grossissent 1500 fois. Au-delà, l’image devient
brouillée à cause de certaines propriétés de la lumière. Le pouvoir de résolution est la
distance en deçà de laquelle deux points n’apparaissent plus comme distincts. A l’œil nu,
cette distance vaut environ 0,1 mm. En microscopie optique, deux points séparés par une
distance inférieure à 1 µm apparaissent confondus. Or, la plupart des organites cellulaires
mesurent moins ou une taille proche du pouvoir de résolution. Le microscope optique
ne permet donc pas une analyse fine des structures cellulaires.
N.B. Pour améliorer l’observation des échantillons en microscopie optique, on utilise des
colorants qui vont permettre de différencier les constituants cellulaires
Exemple :
• L’hématoxyline colore les noyaux en bleu.
• Le lugol colore les polysaccharides en violet foncé.
• L’éosine colorie le cytoplasme en rose.
• Le bleu de luxol colore le cytoplasme en bleu.
• L’acide periodique Schiff colore en rouge fuchsia
les aldéhydes (sucres ou polysaccharides) de la
membrane plasmique ou des acides nucléiques
• Aujourd’hui, des substances fluorescentes associées à des anticorps sont très fréquemment
utilisées pour colorer, avec une grande spécificité, diverses structures cellulaires.
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Activité 1 : Observation de cellules animales au microscope optique.
A partir du document suivant, réalise un schéma légendé de la cellule animale et
détermine la taille de la cellule.
Doc 1 : Une technique souvent utilisée pour observer les cellules animales est de racler
l’intérieur de sa bouche avec un coton tige. Les cellules buccales ainsi récupérées sont
placées sur une lame et colorées au bleu de méthylène afin d’être observées au
microscope optique. Les cellules animales présentent une structure relativement simple :
elles sont limitées par une membrane plasmique et leur intérieur est rempli de
cytoplasme dans lequel baignent les différents organites* cellulaires et le noyau.
*Organites : composants de la cellule qui assurent une fonction particulière.
Schéma :
La taille d’une cellule animale est d’environ ………………
L’observation de la cellule animale au microscope met en évidence la présence
d’organites, trop petits pour être identifiables.
Il s’agit notamment de mitochondries :
Les mitochondries sont le site de la
respiration cellulaire. Elles génèrent
de l’énergie directement utilisable par
la cellule, sous forme de molécules
d’ATP, à partir de molécules riches en
énergie comme les glucides ou les
lipides. Cette réaction physico-chimique
nécessite des molécules d’oxygène.
La mitochondrie est délimitée par deux
membranes :
Une membrane externe et lisse.
Une membrane interne et formant de
nombreuses replis appelés « crêtes ».
La membrane interne crée deux
compartiments dans la mitochondrie : une matrice localisée au centre et un espace
intermembranaire. Ce sont des protéines situées dans la membrane interne qui
finalisent la production de l’ATP.
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Activité 2 : Observation de cellules végétales au microscope optique
a) Observation d’une cellule d’oignon rouge.
Le document suivant illustre des cellules d’oignon rouge plongées dans de l’eau
déminéralisée (à gauche) ou dans de l’eau salée (à droite).
http://tpe-hydratation-cutanee.e-monsite.com
A l’intérieur de la cellule, on observe une vacuole, autour de laquelle s’étend le
cytoplasme (= liquide dans lequel baigne les organites), tous deux colorés en rose.
Plongées dans l’eau déminéralisée, les cellules absorbent l’eau et gonflent, c’est la
turgescence. Au contact de l’eau salée, l’eau contenue dans la cellule sort, c’est la
plasmolyse. Ce phénomène permet d’écarter la membrane plasmique de la paroi
cellulosique qui borde les cellules, afin de faciliter leur observation. Notons que dans le
cytoplasme, parmi les organites, on en trouve un énorme, unique, sphérique, surtout
visible après coloration au lugol : il s’agit du noyau (voir illustration ci-dessous).
Cellule d’oignon rouge colorée au lugol.
http://cell.sio2.be/noyau/1.php
Réalise un schéma légendé de la cellule végétale d’oignon rouge.
Aide-toi du texte ci-dessus.
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b) Observation d’une cellule d’élodée (algue verte).
La membrane plasmique de la cellule d’élodée est difficilement observable car elle est
accolée à la paroi des cellules. Les cellules d’élodée apparaissent vertes sous le
microscope. A l’intérieur de la cellule, des chloroplastes (= organites verts en forme de
pastille), baignent dans le cytoplasme. Un autre organite (rond et de couleur différente)
apparaît : c’est le noyau.
Notons que, malgré qu’elles ne soient pas observables sur ces illustrations, la cellule
végétale possède également des mitochondries.
Réalise un schéma légendé de la cellule végétale d’élodée et précise la ou
les différences avec la cellule d’oignon.
La taille d’une cellule végétale est d’environ ………………..
Le chloroplaste est le site de la photosynthèse.
La photosynthèse est un processus utilisé par les
plantes pour produire de l’énergie chimique (qui
sera placée dans des molécules de glucides) à
partir de l’énergie lumineuse.
Les chloroplastes contiennent de la chlorophylle,
un pigment responsable de la couleur verte de la
plupart des plantes. Ces pigments chlorophylliens
captent la lumière nécessaire à la photosynthèse.
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Activité 3 : observation des cellules bactériennes au microscope optique.
Les bactéries sont si petites qu’il est difficile de les observer correctement avec un simple
microscope optique.
Calculez la longueur et la largeur d’une cellule bactérienne.
Longueur : …………………………..
Largeur : …………………………….
Pour observer les différences avec les cellules animales et végétales, nous allons
observer une image de cellule bactérienne prise par microscopie électronique.
Légende l’image
Quelle différence repères-tu par rapport aux autres types cellulaires ?
Ce type de cellule qui ne possède pas de noyau (et n’en a jamais eu) est appelé
cellule procaryote.
Les cellules qui possèdent un noyau (même si elles le perdent, dans le cas des
globules rouges) sont quant à elles qualifiées de cellules eucaryotes
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Bilan : Comparaison des différents types cellulaires (C1)
Complète le tableau suivant en ajoutant une croix lorsque la structure citée est
présente chez ce type cellulaire.
Cellules de type
Eucaryotes
végétaux
Procaryotes
animaux
bactéries
membrane
plasmique
cytoplasme
noyau
organites
vacuole
chloroplastes
(chlorophylle)
mitochondries
paroi
Ancrage du concept : Palier d’organisation et hiérarchie structurelle
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Composition chimique typique du vivant. (C2)
A partir des documents suivants, nous allons tenter de répondre à la question suivante :
« De quoi se compose la matière vivante ? »
Document 1
Différents échantillons de matière inerte ou vivante sont mis en contact avec une poudre
blanche, le sulfate de cuivre anhydre.
a) En te rappelant l’expérience de déshydratation du sel de sulfate de cuivre réalisée
dans le cadre du cours de chimie, quelle est la propriété du sulfate de cuivre
anhydre ?
b) Quelle information sur la composition de la matière vivante cette expérience vous
apporte-t-elle ?
La matière vivante est donc composé de ……………………………………
Quelle est sa proportion dans l’organisme ?
Pour répondre à cette question observe attentivement le document 2 et calculer la
quantité d’eau (en pourcentage de la masse initiale) contenue dans chacun des
échantillons suivants : foie de veau, champignon et salade.
Document 2
La proportion d’eau dans un organisme vivant est d’environ …………………….
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Document 3
En exploitant les données du document 3, réponds à la question suivante :
La matière qui constituent les êtres vivants est-elle la même que celle qui
constitue la matière minérale ?
a) La matière qui constituent
les êtres vivants est-elle la
même que celle qui
constitue la matière
minérale ?
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
……………………
b) Quels sont les principaux
atomes que l’on retrouve
dans la matière vivante ?
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………
Document 4
a) Observe l’expérience ci-dessus et note les transformations observées pendant
l’expérience.
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
b) Rappelle la propriété de l’eau de chaux
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
c) Quelle propriété de la matière vivante cette expérience met-elle en évidence ?
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
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Activité : A partir de ce site modélisant des molécules 3D, réponds aux
questions suivantes :
http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/gutjahr/molec3D/molec3d/dossiers/mat-org_accueil.htm
1. Quels sont les grands groupes de molécules organiques qui constituent les êtres
vivants ?
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
2. Compare les molécules suivantes et complète le tableau ci-dessous :
glucose, acide palmitique, méthionine et adénine.
Ces molécules sont représentatives des grands groupes des molécules organiques identifiées au point 1.
Quelques infos sur ces substances :
l’acide palmitique est un acide gras. Il appartient à la catégorie des lipides ;
la méthionine est un acide aminé. Les acides aminés appartiennent à la catégorie
des protéines
le glucose fait partie des glucides
l’adénine est un nucléotide. le nucléotide fait partie des acides nucléiques,
molécules rencontrées dans le noyau des cellules
Catégorie de
molécule
organique
exemple
Nombres
d’atomes
Liste des
atomes
composant la
molécule
………………..
………………..
…………………
…………………
glucose
Acide
palmitique
méthionine
adénine
3. Que signifie le terme « macromolécules » ?
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
4. Quelle est la place des macromolécules dans la composition chimiques de êtres
vivants ?
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
5. Cite un exemple de macromolécules de chaque groupe de molécules organiques qui
en contient.
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
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La parenté entre les êtres vivants (C3)
Les êtres vivants se caractérisent par leur extrême diversité. Nous estimons à deux
millions d'espèces différentes les animaux actuellement connus, et à 500000 espèces, les
plantes... et il y a de bonnes raisons de croire que nos inventaires sont loin d'être
complets !
Aujourd’hui, grâce notamment aux travaux de Darwin, nous savons qu’à l’échelle
macroscopique, on peut mettre en évidence des indices permettant d’établir une
parenté entre les êtres vivants.
Peut-on trouver des indices en faveur de cette parenté au niveau atomique, au
niveau moléculaire, au niveau cellulaire ?
Pour répondre à cette question, utilise l’ensemble des informations acquises au cours des
activités précédentes et montre qu’il existe aussi des indices :
Au niveau atomique :
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
Au niveau moléculaire :
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
Au niveau cellulaire :
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
Ces différents indices permettent aujourd’hui d’avancer l’hypothèse selon laquelle nous
avons tous un …………………………………………………………………………..
Synthèse
Il suffit de regarder autour de soi pour constater l’incroyable diversité du monde vivant. Pourtant,
l’enquête scientifique démontre que cette diversité apparente est sous-tendue par une unité qui se
manifeste à différents niveaux de l’organisation du vivant. L’étude des matériaux du vivant nous
apprend que les briques élémentaires qui le constitue, à savoir les atomes, sont les mêmes : C, H, O,
N pour l’essentiel. Ces briques sont toutes disponibles sur la planète Terre. La matière des êtres
vivants est donc formée à partir des éléments de la planète Terre. Au niveau moléculaire, les briques
s‘organisent en matière minérale dont l’eau qui est le constituant le plus important sur le plan
quantitatif et la matière organique. Les molécules organiques sont organisées autour de l’atome de
carbone et se repartissent en 4 familles : glucides, lipides, protides et acides nucléiques. D’un être
vivant à l’autre, on retrouve les mêmes molécules de base. L’observation microscopique permet
d’accéder à un autre niveau d’organisation, celui de la cellule. Si on peut distinguer deux grands types
de cellules, la cellule eucaryote et la cellule procaryote, toutes les cellules de tous les êtres vivants
partagent des points communs (membrane plasmique, cytoplasme) faisant de celle-ci l’unité
structurale du monde vivant. Le partage de ces nombreux caractères communs témoigne de la
parenté des êtres vivants.
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Argument en faveur de la théorie de l’ancêtre commun par
l’anatomie comparée.
L’anatomie comparée consiste à observer les similitudes, chez un ensemble d’animaux
(ou de plantes) fossiles ou actuels, d’un même organe et d’en déduire les étapes
successives de l’évolution.
http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/college/janzac/parentes/tester.html
T1 : A partir de ce document représentant l’anatomie des membres antérieurs
de quelques vertébrés, identifie les éléments communs à chacun de ces
membres et réalise ensuite un schéma représentant le membre antérieur
hypothétique d’un ancêtre commun.
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