CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT

Chapitre 1 : Diversité et unité du monde vivant Rappel 1 : La cellule

• Indiquer quelle est l’unité d’organisation des êtres vivants. La cellule. Les organismes vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules. La cellule est donc l'unité d’organisation des êtres vivants.

• Réaliser un schéma titré et annoté d’une cellule. La cellule possède un noyau, une membrane, du cytoplasme.

• Indiquer où est localisé l’information génétique au sein d’une cellule nucléée. L’information génétique est contenue dans l’ADN qui constitue les chromosomes présents dans le noyau de la cellule.

• Indiquer si tous les êtres vivants sont constitués de cellules aux caractéristiques similaires. Citer le nom de quelques cellules « spécialisées ».

Non, il existe des cellules « spécialisées » : les neurones, les cellules musculaires, les gamètes (ovule et spermatozoïdes)… Rappels 2 : La notion d’espèce

• Donner la définition du mot « espèce » Espèce : ensemble d’individus qui se ressemblent, qui peuvent se reproduire ensemble et dont la descendance est fertile.

• Indiquer comment distinguer ou regrouper les animaux entre eux. Les organismes vivants sont classés en groupes définis uniquement à partir des attributs qu’ils possèdent en commun. Ces attributs définis par les scientifiques permettent de situer des organismes vivants dans la classification actuelle.

• Indiquer quelles caractéristiques communes sont rencontrées chez les Vertébrés. Les vertébrés sont des animaux possédant une colonne vertébrale et des os (ou des arêtes).

• Donner les 5 groupes des vertébrés. Mammifères Poils et mamelles Oiseaux Plumes Reptiles Ecailles soudées Amphibiens Peau nue Poissons Ecailles non soudées

• Introduction : Les êtres vivants qui peuplent la Terre constituent des espèces qu’il est possible de distinguer les unes des autres. Ces espèces se sont diversifiées au cours du temps par le processus de l’évolution.

Comment peut-on leur attribuer une origine commune

I] Plan d’organisation des vertébrés Définitions : Un plan d’organisation est un plan selon lequel sont disposés les organes les uns par rapport aux autres. Organe : partie d’un corps vivant qui remplit une fonction utile à la vie

1) Morphologie externe des vertébrés

• Activité 1 : Symétrie bilatérale et axes de polarité

1) Repérer sur les photographies d’animaux (doc. a), les différentes parties du corps de

ces Vertébrés. Indiquer le nombre de parties divisant chaque corps.

(Remarque : pour la grenouille, la queue existe chez le têtard et disparaît à la métamorphose.)

Le corps de ces vertébrés, excepté la grenouille, est divisé en 3 parties : tête, tronc et queue. Cependant au stade têtard le corps de la grenouille est aussi divisé en 3 parties.

2) Sur ces mêmes photographies, trouver des axes de polarité et indiquer s’il existe un plan de symétrie bilatérale (doc. a et b).

Le corps est organisé selon 2 axes : - Antéro-postérieur (avant arrière) - Dorso-ventral (dos ventre)

Ces axes déterminent une symétrie bilatérale.

• Bilan : Un axe de polarité est un manque de symétrie dans le plan d'organisation d'un organisme, suite à une répartition différente des organes et des tissus. L'axe indique les 2 côtés qui ne sont pas symétriques. . On trouve dans la morphologie externe des Vertébrés deux axes de polarité : - axe antéro-postérieur - axe dorso-ventral Ces axes permettent d’orienter les organismes.

2) Squelette de quelques vertébrés Activité 2 : Etude de squelettes de vertébrés

1. Comparer ces différents squelettes et indiquer quelle(s) est(sont) leur(s) caractéristique(s) commune(s).

Il est possible de distinguer trois régions dans le squelette interne : - le crâne - le squelette axial qui correspond à la colonne vertébrale - les membres et est associé au squelette axial par l'intermédiaire des ceintures : épaule, bassin Les vertébrés tétrapodes (4 membres) ont la même architecture avec des membres antérieurs et postérieurs. Le membre des Tétrapodes est constitué par un long os (humérus ou fémur) articulé avec la ceinture. Cet os est lui-même articulé avec deux autres. Les doigts des Tétrapodes est de 5 (nombre qui peut diminuer selon l'adaptation du membre).

2. Indiquer s’il existe des axes de polarité ou un plan de symétrie. Si telle est le cas tracer les sur le document ci-dessus.

Présence de 2 axes de polarité : antéro-postérieur et dorso-ventral ainsi que d’un plan de symétrie droite gauche.

• Bilan : L’observation de la morphologie externe et des squelettes de quelques vertébrés met en évidence un plan d’organisation du corps commun : axes de polarité, plan de symétrie. Les vertébrés semblent organisés autour d’un plan de symétrie bilatérale.

3) Organisation interne de quelques vertébrés

• Retrouve-t-on également des caractères communs dans l’anatomie interne de différents vertébrés ?

• Activité 3 : Étude anatomique comparative de la sardine et de la grenouille

Partie 1 : Etude de la morphologie

1) Réaliser une observation du vertébré étudié en vue externe. 2) Consigner les observations réalisées en complétant le tableau ci-dessous. 3) Observer l’autre vertébré pour compléter le document.

SARDINE GRENOUILLE

Corps en 3 parties Tête, corps, queue Corps couvert d’écailles → Caractéristique des poissons Organisation selon 2 axes : - axe antéro-postérieur (avant – arrière) - axe dorso-ventral (dos – ventre) → Ces axes déterminent un plan de symétrie bilatérale

Corps en 2 parties : Tête, corps (3 parties chez le têtard) (Remarque : la queue existe chez le têtard mais disparaît à la métamorphose) Corps recouvert d’une peau nue → Caractéristique des amphibiens Organisation selon 2 axes : - axe antéro-postérieur (avant – arrière) - axe dorso-ventral (dos – ventre) → Ces axes déterminent un plan de symétrie bilatérale

Partie 2 : Etude de l’anatomie interne

1) Suivre le protocole pour réaliser la dissection. 2) Repérer les différents organes à l’aide du livre page 232. 3) L’organisation interne du vertébré étudié permet-elle de définir des axes de polarité et

un plan de symétrie bilatérale ? Le plan de symétrie bilatérale n’est pas total car certains organes (cœur, foie) ne sont pas semblables à droite et à gauche. Au niveau de l’anatomie interne, il y a donc trois axes de polarité chez les Vertébrés : - axe antéro-postérieur - axe droite-gauche - axe dorso-ventral

4) Noter la localisation des organes repérés dans l’animal (compléter le tableau ci-contre) 5) Légender le schéma joint. 6) Comparer l’organisation interne de l’animal étudié avec l’autre vertébré. 7) Proposer une hypothèse soulevée par cette comparaison.

L’anatomie interne des vertébrés présentent des similitudes d’organisation. On peut supposer une parenté commune à ces animaux.

• Tableau : Organisation interne Noter ci-dessous tous les organes repérés et leur localisation dans l’animal (avant, arrière, droite, gauche, dos, ventre)

Appareil SARDINE GRENOUILLE

Organe Localisation Organe Localisation

Circulatoire Cœur

situé à l'avant de la cavité abdominale, dont il est séparé par une cloison

Cœur

situé à l'avant, sous la ceinture pectorale. Il est enveloppé par une fine membrane

Respiratoire Branchies situées à l'avant, sous les opercules

Poumon situés dans la partie antérieure, cachés ventralement par le foie

Digestif Foie

situé dans la partie antérieure, en arrière du cœur

Foie situé dans la partie antérieure, en arrière du cœur

Tube digestif

régionalisation antéro-postérieure

Tube digestif

régionalisation antéro-postérieure

Urogénital

Rein accolés et situés dorsalement

Rein situés dorsalement

Gonades (testicules, ovaires)

situées à la face ventrale des reins, qu'elles recouvrent plus ou moins

Gonades (testicules, ovaires)

situées à la face ventrale des reins, qu'elles recouvrent plus ou moins

• Bilan : Le corps des vertébrés est constitué d’organes. Ces organes sont comparables chez tous les vertébrés et occupent des positions similaires. On retrouve les mêmes axes qu’observés extérieurement. A quelques exceptions près (cœur, foie…), la plupart des organes ont une organisation symétrique par rapport à un plan de symétrie bilatérale. L’axe antéro-postérieur est matérialisé par :

- la position du cœur antérieure à celle des organes uro-génitaux (reins, gonades) - la régionalisation antéro-postérieure du tube digestif

L’axe dorso-ventral est matérialisé par un système nerveux (contenu dans la colonne) dorsal par rapport au tube digestif.

4) Le système nerveux de quelques vertébrés Des similitudes à l’échelle de l’organisme ont été établies chez les vertébrés.

• Ces similitudes sont-elles également observables au niveau des organes qui constituent le système nerveux ?

• Activité 4 : Étude comparative du système nerveux de la sardine et de la

grenouille

1) Suivre le protocole pour réaliser la dissection. 2) Repérer les différents organes constituant le système nerveux à l’aide du livre page

230 et des documents ci-dessous.

Organisation du système nerveux du poisson Organisation du système nerveux de la grenouille

3) Titrer et légender les schémas joints.

4) Chez les vertébrés, le système nerveux est en position dorsale. Indiquer les caractéristiques communes supplémentaires que l’observation de la dissection du système nerveux de ces vertébrés met en évidence.

Les trois systèmes nerveux étudiés présentent tous une succession antéro-postérieure identique : lobes olfactifs, hémisphères cérébraux, lobes optiques, cervelet, bulbe rachidien et ME.

5) Préciser les différences existant dans la forme de leurs encéphales. Chez la grenouille, le cerveau est proportionnellement plus gros, alors que chez le poisson les lobes optiques sont très développés.

6) Résumer, à partir de l’ensemble des données issues de l’étude morphologique et anatomique de quelques vertébrés (réalisée durant cette séance et la séance précédente), les caractéristiques communes du plan d’organisation de ces animaux.

Le corps des vertébrés est organisé selon deux axes de polarité (antéro-postérieur et dorso ventral) et un plan de symétrie bilatérale. Le corps est régionalisé avec :

- une tête : antérieure - un tronc associé à des membres ou des nageoires - une queue

Les organes sont disposés selon les polarités précédemment définies.

• Bilan : Les caractéristiques générales du plan d’organisation des vertébrés (polarités, symétrie bilatérale) se retrouvent à l’échelle d’un ensemble d’organes comme le système nerveux. Les vertébrés partagent un plan d’organisation commun. On peut donc imaginer une parenté commune à ces animaux.

II] Une unité à l’échelle cellulaire

1) L’unité d’organisation des êtres vivants : la cellule

• Activité 5 : Observation de la sardine et de la grenouille à l’échelle microscopique 1) Décrire l’aspect de l’épiderme de grenouille observé au microscope optique.

L’épiderme est la fine pellicule recouvrant le corps. Il apparaît au microscope optique, comme un tapis de cellules jointives limité par une membrane et renfermant chacune un cytoplasme et un noyau. L’épiderme est un tissu.

2) Identifier les éléments présents sur la lame de système nerveux dissocié. On observe des cellules ayant plus ou moins une forme d’étoile appelées neurones.

3) Réaliser un dessin d’observation légendé et titré d’une des deux lames observées.

Antérieur Postérieur

Ventral

Neurones dissociés observés au microscope optique X 400

• Bilan :

Les vertébrés sont constitués de cellules. La cellule apparaît comme la structure de « base » des êtres vivants. Chez les animaux, celle-ci est délimitée par une fine membrane : la membrane plasmique.

• Activité 6 : Observation d’une feuille d’élodée et d’une algue la chlorelle au microscope optique

1) Indiquer la place de ces organismes dans la classification. Ce sont des végétaux.

2) Identifier parmi les lames observées celles qui correspondent à un tissu. Justifier. La feuille d’élodée correspond à un tissu, les chlorelles sont des algues unicellulaires. Un tissu est constitué de cellules contiguës et jointives.

3) Indiquer les différentes structures cellulaires communes aux cellules eucaryotes (c'est-à-dire pourvu d’un vrai noyau visible au microscope optique) animales et végétales.

Les cellules eucaryotes présentent un noyau visible, entouré de cytoplasme et sont délimitées par une membrane plasmique.

4) Dégager un caractère présent uniquement dans les cellules végétales. Seules les cellules végétales d’élodée et d’algue renferment des structures cytoplasmiques ovoïdes et de couleur verte : les chloroplastes.

• Activité 7 : Observation de microorganismes non pathogènes : les bactéries du yaourt (Lactococcus) et la levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae)

Matériel : yaourt nature périmé, bleu de méthylène, lame, lamelle, microscope optique, compte-goutte, tige en plastique

• Partie 1 : Protocole de manipulation : observation au microscope optique des bactéries du yaourt (Lactobacille)

1. A l’aide du compte-goutte, prélever une goutte du liquide en surface d’un yaourt et la déposer sur une lame.

2. A l’aide de la baguette plastique trempée dans le bleu de méthylène, ajouter une très petite goutte de ce colorant et mélanger.

3. Laisser agir 2 minutes. 4. Recouvrir d’une lamelle. 5. Observer au microscope optique au plus fort grossissement.

• Partie 2 : Protocole de manipulation : observation au microscope optique de levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae)

1. Prélever une goutte de culture de levures et la déposer sur une lame. 2. Recouvrir d’une lamelle. 3. Observer au microscope optique.

• Partie 3 : Analyse des observations 1. Indiquer la place des lactobacilles et de la levure de boulanger (Saccharomyces) dans

la classification. Les lactobacilles sont des bactéries et la levure de boulanger est un champignon.

2. Réaliser un dessin d’observation des Lactobacilles du yaourt.

Bactéries du yaourt observée au microscope optique x 1000

3. Indiquer les différentes structures cellulaires observables chez Lactobacille et

Saccharomyces. Les levures présentent un noyau visible, entouré de cytoplasme et sont délimitées par une membrane plasmique. L’organisation du Lactobacille n’est pas décelable au microscope optique, mais il ne semble pas posséder de noyau.

4. Comparer les bactéries du yaourt observées avec la levure de boulanger : taille, forme. Le lactobacille est de dimension très inférieure à celle de Saccharomyces et ne semble pas posséder de noyau au contraire de la levure.

5. A l’aide des activités 5, 6 et 7 indiquer quelle conclusion peut être tirée de l’observation de différents êtres vivants à l’échelle du microscope.

Quelle que soit leur aspect, à l’échelle du microscope, tous les êtres vivants apparaissent constitués de cellules.

• Bilan Que l’on observe un végétal, un animal, un champignon ou une bactérie au microscope une profonde unité apparaît : tous ces êtres vivants sont constitués de cellules. La cellule est la plus petite unité assurant la vie. Certains organismes sont unicellulaires, d’autres pluricellulaires. Le fait que tous les êtres vivants soient constitués de cellules suggère que tous les êtres vivants ont une origine commune.

L’organisation des cellules présente un point commun : toutes les cellules sont délimitées par une membrane plasmique les séparant du milieu extérieur. Cependant suivant qu’elles aient un noyau ou pas, on distingue deux grands types cellulaires :

- les cellules eucaryotes - les cellules procaryotes

Les bactéries sont des cellules procaryotes car elles n’ont pas de noyau. Les cellules végétales, animales et de champignons sont des cellules eucaryotes, car elles possèdent un noyau. Les cellules végétales et animales ne sont pas identiques : présence de chloroplastes (organites cellulaires ovoïdes verts) dans les cellules végétales chlorophylliennes (en général vertes à cause d’un pigment contenu dans les chloroplastes).

2) Des structures cellulaires spécifiques à la cellule végétale

• Activité 8 : Etude d’un fragment d’épiderme d’oignon. 1. A l’aide d’un compte-goutte, déposer une goutte d’eau sur une lame propre. 2. Avec une pince fine, prélever un lambeau d’épiderme sur la face interne d’une écaille

d’oignon rouge. Couper un morceau de ce fragment et le déposer dans la goutte d’eau. Le morceau ne doit pas être plié sur lui-même.

3. Déposer la lamelle sur la lame sans faire de bulles d’air. 4. Observer la préparation au microscope (x400 environ) 5. Déposer une goutte d’eau salée le long d’un des bords de la lamelle et placer un morceau de

buvard du côté opposé afin de remplacer l’eau présente dans le montage par de l’eau salée. Q1 : Décrire l’aspect de l’épiderme d’oignon avant l’ajout d’eau salée. L’épiderme d’oignon correspond à un tissu formé de cellules végétales jointives dont certaines sont naturellement colorées en rouge. On observe un compartiment supplémentaire dans le cytoplasme de la cellule : la vacuole.

Epiderme d’oignon rouge observé au microscope optique x 400

Q2 : Décrire le phénomène observé lors de l’ajout d’eau salée. Lors de l’ajout d’eau on observe un phénomène de plasmolyse. La cellule végétale rejette l’eau contenue dans son cytoplasme et se « rétracte ». On observe l’apparition d’un cadre rigide entourant la cellule et une membrane qui délimite la cellule dont la taille s’est réduite. Q3 : Quelle structure cellulaire est mise en évidence lors de cette manipulation ? Lors de cette manipulation, on met en évidence une structure rigide la paroi qui borde la membrane plasmique sur l’extérieur. Q4 : A l’aide des observations réalisées, dessiner un schéma de la cellule d’épiderme d’oignon où toutes les structures cellulaires mises en évidence seront visibles.

Schéma d’une cellule d’épiderme d’oignon

Bilan : La membrane plasmique est une enveloppe déformable, délimitant le cytoplasme des cellules. Les cellules végétales sont entourées par un cadre rigide la paroi. Les cellules végétales ont la même organisation d’ensemble que les cellules animales mais présentent quelques particularités :

- la paroi - une vacuole occupant la plus grande partie du volume cellulaire et contenant de l’eau,

des ions,… - les cellules chlorophylliennes possèdent des chloroplastes qui contiennent la

chlorophylle pigment indispensable à la photosynthèse.

3) Les caractères structuraux des cellules

a) Caractéristiques du matériel utilisé pour observer la structure des cellules

Microscope optique Microscope électronique Abréviation M.O. M.E.

Source lumineuse Lumière visible (photons) Electrons

Taille des éléments observés quelques millimètres à 200

nm 100 µm (cellules) à moins de

1 nm (molécules) Grossissement maximum 1000 x 1 million de fois

Il existe 2 types de microscopes électroniques : - le MEB : Microscope Electronique à Balayage (permet de voir le relief de la cellule) - le MET : Microscope Electronique à Transmission (permet de voir l’intérieur de la cellule)

b) Structure des différents types cellulaires

Activité 9 : Unité et diversité des structures cellulaires – livre pages 162 et 163

1) Rechercher si dans les différentes cellules, sont retrouvés les éléments repérés dans la cellule animale. Nommer l’organite présent uniquement dans les cellules végétales chlorophylliennes.

Toutes les cellules possèdent un cytoplasme délimité par une membrane plasmique. Seules les cellules chlorophylliennes contiennent des chloroplastes.

2) Indiquer les caractéristiques communes aux cellules eucaryotes. Seules les cellules eucaryotes possèdent un noyau ainsi qu’un organite cellulaire nommé MITOCHONDRIE.

3) Justifier la distinction faite entre les cellules eucaryotes et les cellules procaryotes (bactéries).

Les cellules procaryotes ne contiennent pas de noyau ni d’organites. Leur ADN est contenu dans le cytoplasme.

4) Résumer dans un tableau, les différents types d’organites présents dans chacun des types cellulaires étudiés.

ANIMAUX VEGETAUX CHAMPIGNONS

(Levure) BACTERIES

Membrane plasmique

X X X X

Paroi X chez certaines

bactéries Noyau X X X

Mitochondrie X X X

Chloroplaste cellule

chlorophyllienne

Vacuole X X Information génétique (ADN)

Dans le noyau Dans le noyau Dans le noyau Dans le

cytoplasme

Org

anite

s

EUCARYOTES = possèdent un véritable noyau PROCARYOTES = ne possèdent pas de véritable noyau

EUCARYOTES = possèdent un véritable noyau

• Bilan : Des caractéristiques communes à toutes les cellules Chez les eucaryotes, l’information génétique est contenue dans un noyau. De plus le cytoplasme renferme des organites comme les mitochondries ou les chloroplastes. Les mitochondries se rencontrent chez toutes les cellules eucaryotes, alors que les chloroplastes se rencontrent uniquement dans les cellules végétales chlorophylliennes. Une paroi entoure la membrane des cellules végétales. Le fait que les cellules qui constituent les êtres vivants montrent de profondes similitudes suggère que tous les êtres vivants ont une origine commune.

Conclusion

Tous les vertébrés, malgré des morphologies diverses présentent un plan d’organisation commun. Les vertébrés, comme tous les autres êtres vivants, sont constitués de cellules. Toutes les cellules, qu’elles soient procaryotes ou eucaryotes, présentent une structure similaire qui suggère une origine commune des êtres vivants.