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4.1 : Étude des cellules

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    Compétences à développer

    • Décrire le rôle des cellules dans les organismes
    • Comparer et contraster la microscopie optique et la microscopie électronique
    • Résumez la théorie cellulaire

    Une cellule est la plus petite unité d'un être vivant. Un être vivant, qu'il soit composé d'une seule cellule (comme une bactérie) ou de plusieurs cellules (comme un être humain), est appelé organisme. Ainsi, les cellules sont les éléments de base de tous les organismes.

    Plusieurs cellules d'un même type qui s'interconnectent les unes aux autres et remplissent une fonction partagée forment des tissus, plusieurs tissus se combinent pour former un organe (estomac, cœur ou cerveau) et plusieurs organes constituent un système organique (comme le système digestif, le système circulatoire ou le système nerveux). Plusieurs systèmes qui fonctionnent ensemble forment un organisme (comme un être humain). Nous examinerons ici la structure et la fonction des cellules.

    Il existe de nombreux types de cellules, toutes regroupées dans l'une des deux grandes catégories suivantes : procaryotes et eucaryotes. Par exemple, les cellules animales et végétales sont classées comme des cellules eucaryotes, tandis que les cellules bactériennes sont classées comme procaryotes. Avant de discuter des critères permettant de déterminer si une cellule est procaryote ou eucaryote, examinons d'abord comment les biologistes étudient les cellules.

    Microscopie

    La taille des cellules varie. À quelques exceptions près, les cellules individuelles ne sont pas visibles à l'œil nu. Les scientifiques utilisent donc des microscopes (micro- = « petite » ; -scope = « à regarder ») pour les étudier. Un microscope est un instrument qui agrandit un objet. La plupart des photographies de cellules sont prises au microscope, et ces images peuvent également être appelées micrographies.

    L'optique des lentilles d'un microscope modifie l'orientation de l'image que l'utilisateur voit. Un échantillon placé du côté droit vers le haut et orienté vers la droite sur la lame de microscope apparaîtra à l'envers et tourné vers la gauche lorsqu'il est observé au microscope, et vice versa. De même, si la lame est déplacée vers la gauche tout en regardant au microscope, elle semblera se déplacer vers la droite, et si elle est déplacée vers le bas, elle semblera se déplacer vers le haut. Cela se produit parce que les microscopes utilisent deux séries de lentilles pour agrandir l'image. En raison de la manière dont la lumière traverse les lentilles, ce système de deux lentilles produit une image inversée (les microscopes binoculaires, ou microscopes à dissection, fonctionnent de la même manière, mais incluent un système de grossissement supplémentaire qui donne l'impression que l'image finale est verticale).

    Microscopes optiques

    Pour vous donner une idée de la taille des cellules, un globule rouge humain mesure environ huit millionièmes de mètre ou huit micromètres (en abrégé huit μm) de diamètre ; la tête d'une épingle mesure environ deux millièmes de mètre (deux mm) de diamètre. Cela signifie qu'environ 250 globules rouges peuvent tenir sur la tête d'une épingle.

    La plupart des microscopes destinés aux étudiants sont classés dans la catégorie des microscopes optiques (Figure\(\PageIndex{1}\) a). La lumière visible passe et est courbée à travers le système de lentilles pour permettre à l'utilisateur de voir l'échantillon. Les microscopes optiques sont avantageux pour observer les organismes vivants, mais comme les cellules individuelles sont généralement transparentes, leurs composants ne peuvent être distingués que s'ils sont colorés avec des colorants spéciaux. Cependant, la coloration tue généralement les cellules.

    Les microscopes optiques couramment utilisés dans les laboratoires des collèges de premier cycle peuvent grossir jusqu'à environ 400 fois. Deux paramètres importants en microscopie sont le grossissement et le pouvoir de résolution. Le grossissement est le processus qui consiste à agrandir l'apparence d'un objet. Le pouvoir de résolution est la capacité d'un microscope à distinguer deux structures adjacentes séparément : plus la résolution est élevée, meilleurs sont la clarté et le détail de l'image. Lorsque des lentilles à immersion dans l'huile sont utilisées pour l'étude de petits objets, le grossissement est généralement augmenté jusqu'à 1 000 fois. Afin de mieux comprendre la structure et la fonction cellulaires, les scientifiques utilisent généralement des microscopes électroniques.

    Partie a : Ce microscope optique possède des lentilles binoculaires et quatre lentilles d'objectif. L'étage d'échantillonnage se trouve directement sous l'objectif. Le microscope optique est posé sur une table et peut être facilement transporté. Partie b : Le microscope électronique présenté ici se trouve dans un musée. Il fait à peu près la taille d'un bureau et une personne peut s'asseoir devant lui pour le faire fonctionner. Une colonne plus haute qu'une personne s'élève depuis le centre de la lunette.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : (a) La plupart des microscopes optiques utilisés dans un laboratoire de biologie universitaire peuvent grossir les cellules jusqu'à environ 400 fois et ont une résolution d'environ 200 nanomètres. (b) Les microscopes électroniques fournissent un grossissement beaucoup plus élevé, 100 000 x, et ont une résolution de 50 picomètres. (crédit a : modification d'une œuvre par « GcG » /Wikimedia Commons ; crédit b : modification d'une œuvre par Evan Bench)

    Microscopes électroniques

    Contrairement aux microscopes optiques, les microscopes électroniques (Figure\(\PageIndex{1}\) b) utilisent un faisceau d'électrons au lieu d'un faisceau de lumière. Cela permet non seulement un grossissement plus élevé et donc plus de détails (Figure\(\PageIndex{2}\)), mais également un pouvoir de résolution plus élevé. La méthode utilisée pour préparer l'échantillon à l'observation au microscope électronique tue l'échantillon. Les électrons ont de courtes longueurs d'onde (plus courtes que les photons) qui se déplacent mieux dans le vide, de sorte que les cellules vivantes ne peuvent pas être observées au microscope électronique.

    Dans un microscope électronique à balayage, un faisceau d'électrons se déplace d'avant en arrière sur la surface d'une cellule, créant ainsi des détails sur les caractéristiques de la surface de la cellule. Dans un microscope électronique à transmission, le faisceau d'électrons pénètre dans la cellule et fournit des détails sur les structures internes de la cellule. Comme vous pouvez l'imaginer, les microscopes électroniques sont nettement plus encombrants et coûteux que les microscopes optiques.

    Partie a : Au microscope optique, les salmonelles apparaissent sous la forme de minuscules points violets. Partie b : Dans cette micrographie électronique à balayage, les bactéries apparaissent sous forme d'ovales tridimensionnels. Les cellules humaines sont beaucoup plus grosses et présentent un aspect complexe et replié. Certaines bactéries se trouvent à la surface des cellules humaines et d'autres sont pressées entre elles.
    (a)
    Partie a : Au microscope optique, les salmonelles apparaissent sous la forme de minuscules points violets. Partie b : Dans cette micrographie électronique à balayage, les bactéries apparaissent sous forme d'ovales tridimensionnels. Les cellules humaines sont beaucoup plus grosses et présentent un aspect complexe et replié. Certaines bactéries se trouvent à la surface des cellules humaines et d'autres sont pressées entre elles.
    (b)
    Figure\(\PageIndex{2}\) : (a) Ces bactéries Salmonella apparaissent sous la forme de minuscules points violets lorsqu'on les observe au microscope optique. (b) Cette micrographie au microscope électronique à balayage montre des bactéries Salmonella (en rouge) envahissant des cellules humaines (en jaune). Même si la sous-figure (b) montre un spécimen de Salmonella différent de celui de la sous-figure (a), vous pouvez tout de même observer l'augmentation relative du grossissement et des détails. (crédit a : modification des travaux du CDC/Armed Forces Institute of Pathology, Charles N. Farmer, Rocky Mountain Laboratories ; crédit b : modification des travaux du NIAID, NIH ; données à barre d'échelle fournies par Matt Russell)

    Lien vers l'apprentissage

    Pour une autre perspective sur la taille des cellules, essayez l'interface interactive HowBig sur ce site.

    Théorie cellulaire

    Les microscopes que nous utilisons aujourd'hui sont bien plus complexes que ceux utilisés dans les années 1600 par Antony van Leeuwenhoek, un commerçant néerlandais très habile dans la fabrication de lentilles. Malgré les limites de ses lentilles désormais anciennes, van Leeuwenhoek a observé les mouvements des protistes (un type d'organisme unicellulaire) et des spermatozoïdes, qu'il a collectivement appelés « animalcules ».

    Dans une publication de 1665 intitulée Micrographia, le chercheur expérimental Robert Hooke a inventé le terme « cellule » pour désigner les structures en forme de boîte qu'il a observées lorsqu'il regardait le tissu de liège à travers une lentille. Dans les années 1670, van Leeuwenhoek a découvert des bactéries et des protozoaires. Les progrès ultérieurs dans les domaines des lentilles, de la construction de microscopes et des techniques de coloration ont permis à d'autres scientifiques de voir certains composants à l'intérieur

    À la fin des années 1830, le botaniste Matthias Schleiden et le zoologiste Theodor Schwann étudiaient les tissus et proposaient la théorie cellulaire unifiée, selon laquelle tous les êtres vivants sont composés d'une ou de plusieurs cellules, que la cellule est l'unité de base de la vie et que de nouvelles cellules apparaissent à partir de cellules existantes. Rudolf Virchow a par la suite apporté d'importantes contributions à cette théorie.

    Lien de carrière : Cytotechnologue

    Avez-vous déjà entendu parler d'un test médical appelé test Pap (Figure\(\PageIndex{3}\))? In this test, a doctor takes a small sample of cells from the uterine cervix of a patient and sends it to a medical lab where a cytotechnologist stains the cells and examines them for any changes that could indicate cervical cancer or a microbial infection.

    Cytotechnologists (cyto- = “cell”) are professionals who study cells via microscopic examinations and other laboratory tests. They are trained to determine which cellular changes are within normal limits and which are abnormal. Their focus is not limited to cervical cells; they study cellular specimens that come from all organs. When they notice abnormalities, they consult a pathologist, who is a medical doctor who can make a clinical diagnosis.

    Cytotechnologists play a vital role in saving people’s lives. When abnormalities are discovered early, a patient’s treatment can begin sooner, which usually increases the chances of a successful outcome.

    Both normal cells and cells infected with HPV have an irregular, round shape and a well-defined nucleus. Infected cells, however, are two to three times as large as uninfected cells, and some have two nuclei.
    Figure \(\PageIndex{3}\): These uterine cervix cells, viewed through a light microscope, were obtained from a Pap smear. Normal cells are on the left. The cells on the right are infected with human papillomavirus (HPV). Notice that the infected cells are larger; also, two of these cells each have two nuclei instead of one, the normal number. (credit: modification of work by Ed Uthman, MD; scale-bar data from Matt Russell)

    ​​​​​​Summary

    A cell is the smallest unit of life. Most cells are so tiny that they cannot be seen with the naked eye. Therefore, scientists use microscopes to study cells. Electron microscopes provide higher magnification, higher resolution, and more detail than light microscopes. The unified cell theory states that all organisms are composed of one or more cells, the cell is the basic unit of life, and new cells arise from existing cells.

    Glossary

    cell theory
    see unified cell theory
    electron microscope
    an instrument that magnifies an object using a beam of electrons passed and bent through a lens system to visualize a specimen
    light microscope
    an instrument that magnifies an object using a beam visible light passed and bent through a lens system to visualize a specimen
    microscope
    an instrument that magnifies an object
    unified cell theory
    a biological concept that states that all organisms are composed of one or more cells; the cell is the basic unit of life; and new cells arise from existing cells