Introduction
Lorsque Robert Hooke, scientifique anglais du XVIIe siècle, observe au microscope un morceau de liège en 1665, il ne se doute pas qu’il ouvre une nouvelle ère pour la biologie. À l’aide d’un microscope rudimentaire, il distingue de petites cavités régulières qu’il nomme « cellules », car elles lui rappellent les cellules des moines dans un monastère. Il ne s’agit pas encore de cellules vivantes, mais de parois vides : cette observation marque cependant la naissance de la microscopie biologique.
Quelques années plus tard, le naturaliste néerlandais Antoni van Leeuwenhoek, artisan et commerçant de tissus, perfectionne les lentilles optiques (petites pièces de verre bombé permettant d’agrandir l’image d’un objet très petit) et parvient à observer pour la première fois des micro-organismes vivants dans une goutte d’eau, ainsi que des cellules sanguines et des spermatozoïdes (cellules reproductrices mâles contenant l’information génétique qui, lors de la fécondation, s’unit à celle de la cellule-œuf). Ces découvertes révèlent un monde invisible, peuplé d’êtres microscopiques, et posent les bases d’une idée révolutionnaire : tout être vivant est formé d’une ou plusieurs cellules.
Au XIXe siècle, cette idée devient une véritable théorie scientifique grâce aux travaux des biologistes Matthias Schleiden, Theodor Schwann et Rudolf Virchow. Ensemble, ils établissent la théorie cellulaire, selon laquelle tous les êtres vivants sont constitués de cellules et toute cellule provient d’une cellule préexistante. Ce principe fonde la biologie moderne.
Sur ces bases, étudions comment sont organisés les êtres vivants et comment la structure de la cellule permet son fonctionnement.
Les niveaux d’organisation du vivant
Les êtres vivants présentent une organisation hiérarchisée. La plus petite unité du vivant est la cellule, capable de se nourrir, de croître et de se reproduire. Les cellules s’associent pour former des tissus, eux-mêmes organisés en organes accomplissant une fonction spécifique. Plusieurs organes coopèrent au sein d’un système, et l’ensemble forme un organisme.
Chez l’être humain, les cellules musculaires forment des tissus qui constituent les muscles ; ces muscles appartiennent au système locomoteur, lequel agit avec le système nerveux et le squelette pour permettre le mouvement. Chez les végétaux, les cellules des feuilles et des tiges assurent la photosynthèse ou le transport de la sève.
Cette structure emboîtée montre que la cellule est à la fois unité de base et brique constitutive de tout organisme vivant.
À retenir
Tout être vivant s’organise selon une hiérarchie : molécule → cellule → tissu → organe → système → organisme. La cellule est la plus petite unité structurale et fonctionnelle du vivant.
Êtres unicellulaires et pluricellulaires : deux organisations du vivant
Certains êtres vivants, comme les bactéries ou les paramécies, ne sont constitués que d’une seule cellule : on parle d’êtres unicellulaires. Cette cellule unique accomplit toutes les fonctions vitales — se nourrir, se déplacer, se reproduire, réagir à son environnement. Les êtres pluricellulaires, comme les plantes ou les animaux, sont formés de milliards de cellules coopérant entre elles. Chacune a un rôle particulier : certaines assurent la contraction musculaire, d’autres produisent des substances ou transportent l’oxygène.
L’observation au microscope optique permet de comparer ces deux organisations. Une goutte d’eau de mare révèle des protozoaires isolés qui se déplacent librement, tandis qu’une coupe d’épiderme d’oignon montre un ensemble de cellules jointives formant un tissu régulier. À faible grossissement (×100), on distingue leurs parois rectilignes ; à fort grossissement (×400), on aperçoit le noyau et parfois des vacuoles.
Ces observations permettent aussi d’aborder la notion d’échelle. La taille moyenne d’une cellule d’oignon est d’environ 100 µm, alors qu’une bactérie ne dépasse pas 1 µm. Le micromètre, noté µm (et prononcé « micron »), est une unité de longueur équivalente à un millionième de mètre (1 µm = 0,000001 m). Cela signifie qu’il faudrait aligner un million de cellules d’un micromètre pour obtenir un seul mètre : le vivant se déploie ainsi sur une immense échelle de tailles, du microscopique à l’organisme complet.
À retenir
Les êtres unicellulaires réalisent toutes les fonctions vitales dans une seule cellule. Les êtres pluricellulaires possèdent des cellules spécialisées qui coopèrent pour faire fonctionner l’organisme.
La spécialisation cellulaire et la matrice extracellulaire
Chez les organismes pluricellulaires, toutes les cellules proviennent d’une cellule-œuf initiale et contiennent le même ADN (acide désoxyribonucléique, une molécule très longue qui renferme sous forme de code l’ensemble des informations nécessaires au fonctionnement et au développement de l’organisme). Pourtant, elles ne se ressemblent pas : leur forme, leur contenu et leur activité varient selon leur rôle. Cette diversité s’explique par le fait que chaque cellule n’exprime qu’une partie de ses gènes. C’est ce qu’on appelle la spécialisation cellulaire.
Une cellule musculaire, par exemple, est allongée et riche en mitochondries, véritables centrales énergétiques qui transforment les nutriments en énergie chimique (ATP) utilisée pour la contraction. Cette abondance de mitochondries explique la puissance et l’endurance des muscles. À l’inverse, une cellule chlorophyllienne d’une feuille contient de nombreux chloroplastes, petits organites verts où se déroule la photosynthèse : la lumière y est captée et transformée en matière organique, fournissant ainsi l’énergie nécessaire à la plante. L’observation au microscope électronique rend ces différences visibles : les mitochondries apparaissent comme de petites formes ovales remplies de replis internes, tandis que les chloroplastes présentent des empilements de membranes appelés thylakoïdes, véritables « panneaux solaires » cellulaires. Ces images montrent que la structure d’une cellule est toujours adaptée à sa fonction.
Dans les tissus, les cellules ne vivent pas isolées : elles sont reliées entre elles par une matrice extracellulaire (MEC). Chez les animaux, cette matrice est constituée principalement de protéines comme le collagène et l’élastine, qui assurent à la fois adhérence, résistance mécanique et souplesse des tissus (comme la peau ou les tendons). Chez les végétaux, la matrice correspond à la paroi pectocellulosique, épaisse et rigide, qui permet le soutien des tissus et la protection de la cellule. Une coupe de tige végétale observée au microscope montre des cellules accolées, entourées d’une paroi épaisse qui leur confère la rigidité nécessaire pour maintenir la plante droite.
À retenir
Toutes les cellules d’un organisme partagent le même ADN, mais seules certaines parties sont exprimées selon leur fonction. La spécialisation cellulaire permet à chaque cellule d’assurer un rôle précis. La matrice extracellulaire (faite de collagène, d’élastine ou de parois végétales) relie les cellules entre elles et assure la cohésion et la résistance des tissus.
Conclusion
De la paramécie solitaire à l’être humain, la cellule demeure l’unité fondamentale du vivant. Elle accomplit toutes les fonctions nécessaires à la vie et, chez les organismes pluricellulaires, coopère avec d’autres cellules spécialisées pour assurer la cohérence de l’ensemble. Depuis les observations de Hooke et Leeuwenhoek jusqu’aux théories de Schleiden, Schwann et Virchow, la biologie a établi une loi universelle : toute cellule provient d’une cellule.
Les progrès du microscope, optique puis électronique, ont permis de lever le voile sur ce monde invisible et de révéler la logique profonde du vivant : la cellule, à la fois élément de base et merveille d’organisation, relie toutes les formes de vie, de la plus simple à la plus complexe.