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Qu'est-ce qui définit un seul organisme?


Je suppose que ce qui me pousse à poser cette question, c'est que je me demande s'il est possible d'avoir un organisme procaryote multicellulaire. Par exemple, un biofilm peut-il être considéré comme un organisme unique ? Pourquoi ou pourquoi pas?

Pourquoi les procaryotes multicellulaires n'existent-ils pas (s'ils n'existent pas) ?

À quel moment une collection de cellules peut-elle être considérée comme un tout – ont-elles besoin de partager toutes un ADN identique ?

Tirez loin.


Profondeurs inattendues

Une seule cellule peut-elle être suffisamment sophistiquée pour « changer d'avis » ? (Images de Stentor avec l'aimable autorisation de : James Weiss (Jam's Germs), Bill Porter)

Autrefois, la vie unicellulaire revendiquait la domination exclusive sur la terre. Pendant environ trois milliards d'années, des générations insondables d'organismes unicellulaires se sont nourries, ont grandi et se sont reproduites entre elles. Ils sont devenus des prédateurs et des proies, ont prospéré et se sont répandus dans les eaux et les terres primordiales, et ont formé des écosystèmes complexes et dynamiques dans chaque niche écologique de la planète. Il y a environ 600 millions d'années, certains ont même franchi le seuil de la multicellularité.

Aujourd'hui, cependant, les organismes unicellulaires sont synonymes de notions telles que primitive et simple. Pourtant, de nouvelles recherches suggèrent qu'ils pourraient être capables de bien plus que leurs cousins ​​humains très éloignés pourraient le soupçonner.

Dans un effort pour reproduire une expérience menée il y a plus d'un siècle, les biologistes des systèmes de la Harvard Medical School présentent maintenant des preuves convaincantes confirmant au moins un organisme unicellulaire - l'étonnante forme de trompette Stentor roeselii— présente une hiérarchie de comportements d'évitement.

Exposé à plusieurs reprises à la même stimulation - en l'occurrence une impulsion de particules irritantes - l'organisme peut en effet "changer d'avis" sur la façon de réagir, ont déclaré les auteurs, indiquant une capacité de processus décisionnels relativement complexes.

Les résultats sont publiés en ligne dans Biologie actuelle le 5 décembre.

"Nos résultats montrent que les cellules individuelles peuvent être beaucoup plus sophistiquées que ce que nous leur accordons généralement", a déclaré l'auteur de l'étude correspondante Jeremy Gunawardena, professeur agrégé de biologie des systèmes à l'Institut Blavatnik du HMS.

Les chercheurs disent qu'une telle sophistication a un sens évolutif.

« Des organismes comme S. roeselii étaient des prédateurs au sommet avant la vie multicellulaire, et ils sont extrêmement répandus dans de nombreux environnements aquatiques différents », a-t-il déclaré. « Ils doivent être « intelligents » pour déterminer ce qu'il faut éviter, où manger et toutes les autres choses que les organismes doivent faire pour vivre. Je pense qu'il est clair qu'ils peuvent avoir des façons complexes de le faire.

Fascinant mais oublié

Il y a dix ans, lors d'une conférence donnée par le biologiste anglais Dennis Bray, Gunawardena a découvert les travaux de l'éminent zoologiste américain Herbert Spencer Jennings (Harvard A.B. 1895, Ph.D. 1896), qui, en 1906, a publié le texte influent Comportement des organismes inférieurs. Une expérience particulière a attiré l'attention de Gunawardena.

Jennings étudiait S. roeselii, un membre d'un genre répandu de protistes d'eau douce. Ces cellules uniques se distinguent par leur taille relativement grande et leurs corps uniques en forme de trompette. Leurs surfaces et leurs « cloches » en trompette sont tapissées de projections ressemblant à des cheveux appelées cils, utilisées pour nager et pour générer un vortex dans le fluide environnant, qui entraîne la nourriture dans leur « bouche ». À l'autre extrémité de leur corps, ils sécrètent un crampon qui les attache aux détritus pour rester immobiles tout en se nourrissant.

Avec un microscope, une pipette et une main ferme, Jennings a méticuleusement documenté le comportement de S. roeselii lorsqu'il est exposé à un irritant environnemental sous forme de poudre de carmin.

S. roeselii se contractant sur son crampon. Avec la permission de : Bill Porter

Jennings a observé une série ordonnée de comportements. Il a noté que, généralement, S. roeselii plierait à plusieurs reprises son corps pour éviter la poudre. Si l'irritation persistait, il inverserait le mouvement de ses cils pour expulser les particules loin de sa bouche. Si cela aussi échouait, il se contracterait alors, se tirant rapidement sur son crampon comme une bernacle se retirant dans sa coquille. Enfin, si tous les efforts antérieurs échouaient, S. roeselii détacherait son crampon et s'éloignait à la nage.

Ces comportements formaient une hiérarchie, une escalade d'actions que l'organisme effectuait sur la base d'une préférence hiérarchisée. Cette observation suggérait qu'elle possédait certains des comportements les plus complexes connus pour une seule cellule avec un seul noyau.

L'expérience a suscité un grand intérêt, mais les efforts ultérieurs pour la reproduire, en particulier une étude publiée en 1967, ont échoué. En conséquence, les découvertes de Jennings ont été largement discréditées et oubliées par la science moderne.

Projet Skunkworks

Comme de la poudre de carmin dans une flaque d'eau par ailleurs parfaitement habitable, cela a dérangé Gunawardena, alors il a retrouvé l'étude de 1967. À son grand étonnement, il a constaté que les auteurs, qui n'ont pu trouver S. roeselii, avait utilisé une espèce différente pour reproduire l'expérience de Jennings—Stentor coeruleus, qui préfère nager au lieu de s'attacher pour se nourrir.

Peu de surprise, alors, qu'ils n'aient pas réussi à reproduire les résultats, pensa Gunawardena. Il s'est passionné pour essayer de reproduire avec précision l'expérience de Jennings. Mais en tant que mathématicien de formation et dirigeant d'un laboratoire d'une faculté de médecine axé sur le traitement de l'information moléculaire, il a eu du mal à convaincre les autres.

« J'ai continué à évoquer cette idée lors de ma réunion de groupe de laboratoire, en disant qu'elle nous en dit quelque chose sur les capacités des cellules individuelles. Nous ne pensons plus ainsi au fonctionnement des cellules », a-t-il déclaré. « Et, sans surprise, personne n’était intéressé. C'est de l'histoire ancienne, c'est de la biologie descriptive – toutes les choses que les jeunes stagiaires brillants ne toucheraient pas.

Face à un irritant, S. roeselii va d'abord se plier et modifier le battement de ses cils pour expulser les particules de sa cavité buccale. Vidéo : Dexter et al, 2019

Mais il a persisté. L'un de ses boursiers postdoctoraux, Sudhakaran Prabakaran, aujourd'hui chef de groupe à l'Université de Cambridge en Angleterre, s'est intéressé. Et il y a environ huit ans, Joseph Dexter, un stagiaire de premier cycle qui est devenu plus tard le doctorant de Gunawardena et qui est maintenant membre du Neukom Institute for Computational Science à Dartmouth, a également été attiré par l'idée.

Poussés uniquement par un sens irrépressible de la curiosité et de l'histoire, sans aucune subvention officielle, les trois se sont engagés dans un projet parallèle de plusieurs années.

"C'était un projet de skunkworks complètement improvisé", a déclaré Gunawardena. "Ce n'était le travail de personne."

Dexter et Prabakaran ont conçu et entrepris les expériences, et leur premier défi a été de trouver S. roeselii. Ils chassaient partout, cherchant même dans les étangs locaux. En fin de compte, ils ont localisé un fournisseur en Angleterre, qui s'est procuré les organismes dans un étang de terrain de golf et les a expédiés à travers l'Atlantique.

L'équipe a mis en place un appareil expérimental équipé d'une vidéomicroscopie et d'un système de micropositionnement pour délivrer avec précision un irritant près de la bouche de leur S. roeselii sujets de test. Ils ont d'abord utilisé de la poudre de carmin mais ont vu peu de réponses et, par essais et erreurs, ont découvert que les billes de plastique microscopiques étaient efficaces.

Caché dans les maths

Pour leur plus grand plaisir, le trio a réussi à susciter - et à reproduire - tous les comportements que Jennings a décrits un jour.

Cependant, ils n'ont pas vu la hiérarchie ordonnée et ordonnée des comportements que Jennings avait documentée. Au contraire, il semblait y avoir des variations considérables entre les sujets : un spécimen pouvait plier et altérer ses cils avant de se contracter, mais un autre ne pouvait se contracter que de façon répétée, tandis qu'un autre alternerait pliage et contraction.

Ainsi, les trois se sont repliés sur leur expertise de base en tant que biologistes quantitatifs. Ils ont développé une méthode pour coder les différents comportements qu'ils ont vus dans une série de symboles, puis ont utilisé des analyses statistiques pour rechercher des modèles.

Si la flexion et l'altération des cils sont insuffisantes, S. roeselii se contractera sur son crampon, ou se détachera et s'éloignera. Vidéo : Dexter et al, 2019.

Là où l'observation a échoué, les mathématiques ont triomphé. Il y avait, en effet, une hiérarchie comportementale, a révélé l'analyse. Face à un irritant, S. roeselii va, la plupart du temps, commencer par plier et altérer ses cils, souvent simultanément. Si l'irritation persiste, elle se contractera ou se détachera et s'éloignera. Ces derniers comportements se produisent presque toujours après les premiers, et les organismes ne se détachent jamais sans se contracter d'abord, indiquant un ordre d'actions préféré.

"Ils font d'abord les choses simples, mais si vous continuez à stimuler, ils" décident "d'essayer autre chose. S. roeselii n'a pas de cerveau, mais il semble y avoir un mécanisme qui, en fait, lui permet de « changer d'avis » une fois qu'il a l'impression que l'irritation a duré trop longtemps », a déclaré Gunawardena.

"Cette hiérarchie donne une idée précise d'une certaine forme de calcul décisionnel relativement complexe en cours à l'intérieur de l'organisme, pesant s'il est préférable d'exécuter un comportement par rapport à un autre", a-t-il déclaré.

tirage au sort équitable

En reproduisant avec succès l'expérience de Jennings et en éclairant de nouvelles observations quantitatives sur les capacités comportementales des S. roeselii, l'équipe espère avoir résolu la confusion historique concernant l'exactitude de ses découvertes.

Mais les résultats soulèvent désormais de nombreuses questions nouvelles.

Les analyses ont montré qu'il y a presque une chance parfaitement égale qu'un individu S. roeselii choisira de se contracter ou de se détacher, un indice particulièrement alléchant pour les scientifiques qui étudient comment les cellules traitent l'information au niveau moléculaire. La décision entre les deux comportements est cohérente, chaque organisme tirant indépendamment une pièce impartiale, quelles que soient les actions précédentes, ont déclaré les auteurs.

"Il fonde en quelque sorte ses décisions, au niveau moléculaire, sur un tirage au sort équitable", a déclaré Gunawardena. « Je ne peux penser à aucun mécanisme connu qui leur permettrait de mettre en œuvre cela. C'est incroyablement fascinant et quelque chose que Jennings n'a jamais observé parce que nous avions besoin de mesures quantitatives pour le révéler.

Plus largement, disent les auteurs, l'observation que des cellules individuelles peuvent être capables de comportements complexes pourrait informer d'autres domaines de la biologie.

En biologie du développement ou en recherche sur le cancer, par exemple, les processus que subissent les cellules sont souvent appelés programmes, a déclaré Gunawardena, suggérant que les cellules sont «programmées» pour faire ce qu'elles font. "Mais les cellules existent dans un écosystème très complexe et, d'une certaine manière, elles se parlent et négocient les unes avec les autres, répondent aux signaux et prennent des décisions."

"Je pense que cette expérience nous oblige à réfléchir à l'existence, de manière très spéculative, d'une certaine forme de" cognition " cellulaire, dans laquelle des cellules individuelles peuvent être capables de traiter des informations complexes et de prendre des décisions en réponse", a-t-il poursuivi. "Toute la vie a les mêmes fondements, et nos résultats nous donnent au moins une preuve de la raison pour laquelle nous devrions élargir notre point de vue pour inclure ce type de pensée dans la recherche en biologie moderne."

"Cela illustre aussi comment, parfois, nous avons tendance à ignorer les choses non pas parce qu'elles n'existent pas, mais parce que nous pensons qu'il n'est pas important de les regarder", a-t-il ajouté. "Je pense que c'est ce qui rend cette étude si intéressante."

Dans le cadre de ses études supérieures, Joseph Dexter a été soutenu par une bourse nationale de recherche d'études supérieures en sciences (DGE1144152).


Contenu

"Biologie" dérive des mots grecs anciens de βίος romanisé bíos signifiant "vie" et -λογία romanisé logía (-logie) signifiant "branche d'étude" ou "parler". [11] [12] Ceux combinés font le mot grec βιολογία biología romanisé signifiant biologie. Malgré cela, le terme βιολογία dans son ensemble n'existait pas en grec ancien. Les premiers à l'emprunter furent l'anglais et le français (biologie). Historiquement, il y avait un autre terme pour "biologie" en anglais, lifelore il est rarement utilisé aujourd'hui.

La forme latine du terme est apparue pour la première fois en 1736 lorsque le scientifique suédois Carl Linnaeus (Carl von Linné) a utilisé biologique dans son Bibliotheca Botanica. Il fut de nouveau utilisé en 1766 dans un ouvrage intitulé Philosophiae naturalis sive physicae : tomus III, continens geologian, biologian, phytologian generalis, par Michael Christoph Hanov, disciple de Christian Wolff. La première utilisation allemande, Biologie, était dans une traduction de 1771 de l'œuvre de Linnaeus. En 1797, Theodor Georg August Roose a utilisé le terme dans la préface d'un livre, Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. Karl Friedrich Burdach a utilisé le terme en 1800 dans un sens plus restreint de l'étude des êtres humains d'un point de vue morphologique, physiologique et psychologique (Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). Le terme est entré dans son usage moderne avec le traité en six volumes Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802-1822) par Gottfried Reinhold Treviranus, qui a annoncé : [13]

Les objets de notre recherche seront les différentes formes et manifestations de la vie, les conditions et les lois sous lesquelles ces phénomènes se produisent, et les causes par lesquelles ils ont été affectés. La science qui s'occupe de ces objets, nous l'indiquerons sous le nom de biologie [Biologie] ou de doctrine de la vie [Lebenslehre].

Les premières racines de la science, qui incluaient la médecine, remontent à l'Égypte ancienne et à la Mésopotamie entre 3000 et 1200 avant notre ère. [14] [15] Leurs contributions sont entrées plus tard et ont formé la philosophie naturelle grecque de l'antiquité classique. [14] [15] [16] [17] Les philosophes grecs antiques tels qu'Aristote (384-322 BCE) ont contribué largement au développement de la connaissance biologique. Ses œuvres telles que Histoire des animaux étaient particulièrement importants parce qu'ils révélaient ses tendances naturalistes, et plus tard des travaux plus empiriques axés sur la causalité biologique et la diversité de la vie. Le successeur d'Aristote au Lycée, Théophraste, a écrit une série de livres sur la botanique qui ont survécu comme la contribution la plus importante de l'Antiquité aux sciences végétales, même au Moyen Âge. [18]

Les érudits du monde islamique médiéval qui ont écrit sur la biologie comprenaient al-Jahiz (781-869), Al-Dīnawarī (828-896), qui a écrit sur la botanique, [19] et Rhazes (865-925) qui a écrit sur l'anatomie et la physiologie . La médecine a été particulièrement bien étudiée par les érudits islamiques travaillant dans les traditions des philosophes grecs, tandis que l'histoire naturelle s'est fortement inspirée de la pensée aristotélicienne, en particulier pour maintenir une hiérarchie fixe de la vie.

La biologie a commencé à se développer et à croître rapidement avec l'amélioration spectaculaire du microscope par Anton van Leeuwenhoek. C'est alors que les savants découvrirent les spermatozoïdes, les bactéries, les infusoires et la diversité de la vie microscopique. Les recherches de Jan Swammerdam ont suscité un nouvel intérêt pour l'entomologie et ont aidé à développer les techniques de base de la dissection et de la coloration microscopiques. [20]

Les progrès de la microscopie ont également eu un impact profond sur la pensée biologique. Au début du 19e siècle, un certain nombre de biologistes ont souligné l'importance centrale de la cellule. Puis, en 1838, Schleiden et Schwann ont commencé à promouvoir les idées désormais universelles selon lesquelles (1) l'unité de base des organismes est la cellule et (2) que les cellules individuelles ont toutes les caractéristiques de la vie, bien qu'ils se soient opposés à l'idée que (3) tous les cellules proviennent de la division d'autres cellules. Grâce aux travaux de Robert Remak et Rudolf Virchow, cependant, dans les années 1860, la plupart des biologistes ont accepté les trois principes de ce qui est devenu la théorie cellulaire. [21] [22]

Pendant ce temps, la taxonomie et la classification sont devenues le centre d'intérêt des historiens de la nature. Carl Linnaeus a publié une taxonomie de base pour le monde naturel en 1735 (dont des variantes ont été utilisées depuis), et dans les années 1750, il a introduit des noms scientifiques pour toutes ses espèces. [23] Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon, a traité les espèces comme des catégories artificielles et les formes vivantes comme malléables, suggérant même la possibilité d'une descendance commune. Bien qu'il soit opposé à l'évolution, Buffon est une figure clé de l'histoire de la pensée évolutionniste. Son travail a influencé les théories évolutionnistes de Lamarck et de Darwin. [24]

La pensée évolutionniste sérieuse trouve son origine dans les travaux de Jean-Baptiste Lamarck, qui fut le premier à présenter une théorie cohérente de l'évolution. [26] Il a postulé que l'évolution était le résultat d'un stress environnemental sur les propriétés des animaux, ce qui signifie que plus un organe était utilisé fréquemment et rigoureusement, plus il deviendrait complexe et efficace, adaptant ainsi l'animal à son environnement. Lamarck croyait que ces traits acquis pourraient ensuite être transmis à la progéniture de l'animal, qui les développerait et les perfectionnerait davantage. [27] Cependant, c'est le naturaliste britannique Charles Darwin, combinant l'approche biogéographique de Humboldt, la géologie uniformitariste de Lyell, les écrits de Malthus sur la croissance démographique, et sa propre expertise morphologique et des observations naturelles approfondies, qui ont forgé une théorie évolutionniste plus réussie basée sur la sélection naturelle, un raisonnement et des preuves similaires ont conduit Alfred Russel Wallace à parvenir indépendamment aux mêmes conclusions. [28] [29] La théorie de l'évolution de Darwin par sélection naturelle s'est rapidement répandue dans la communauté scientifique et est rapidement devenue un axiome central de la science en développement rapide de la biologie.

La base de la génétique moderne a commencé avec les travaux de Gregor Mendel, qui a présenté son article, "Versuche über Pflanzenhybriden" ("Expériences sur l'hybridation des plantes"), en 1865, [30] qui a décrit les principes de l'héritage biologique, servant de base à la génétique moderne. [31] Cependant, l'importance de son travail n'a été réalisée qu'au début du 20e siècle lorsque l'évolution est devenue une théorie unifiée alors que la synthèse moderne a réconcilié l'évolution darwinienne avec la génétique classique.[32] Dans les années 1940 et au début des années 1950, une série d'expériences d'Alfred Hershey et de Martha Chase ont indiqué que l'ADN était le composant des chromosomes qui détenaient le trait- L'accent mis sur de nouveaux types d'organismes modèles tels que les virus et les bactéries, ainsi que la découverte de la structure en double hélice de l'ADN par James Watson et Francis Crick en 1953, ont marqué le passage à l'ère de la génétique moléculaire. Des années 1950 à nos jours, la biologie a été considérablement étendue dans le domaine moléculaire. Le code génétique a été déchiffré par Har Gobind Khorana, Robert W. Holley et Marshall Warren Nirenberg af L'ADN ter était censé contenir des codons. Enfin, le Human Genome Project a été lancé en 1990 dans le but de cartographier le génome humain en général. Ce projet a été essentiellement achevé en 2003, [33] et une analyse plus approfondie est toujours en cours de publication. Le projet du génome humain a été la première étape d'un effort mondialisé visant à intégrer les connaissances accumulées de la biologie dans une définition fonctionnelle et moléculaire du corps humain et des corps d'autres organismes.

Base chimique

Atomes et molécules

Tous les organismes vivants sont constitués de matière et toute matière est constituée d'éléments. [34] L'oxygène, le carbone, l'hydrogène et l'azote sont les quatre éléments qui représentent 96% de tous les organismes vivants, le calcium, le phosphore, le soufre, le sodium, le chlore et le magnésium représentant les 3,7% restants. [34] Différents éléments peuvent se combiner pour former des composés tels que l'eau, qui est fondamentale à la vie. [34] La vie sur Terre a commencé à partir de l'eau et y est restée pendant environ trois milliards d'années avant de migrer vers la terre. [35] La matière peut exister sous différents états sous forme solide, liquide ou gazeuse.

La plus petite unité d'un élément est un atome, qui est composé d'un noyau et d'un ou plusieurs électrons liés au noyau. Le noyau est composé d'un ou plusieurs protons et d'un certain nombre de neutrons. Des atomes individuels peuvent être maintenus ensemble par des liaisons chimiques pour former des molécules et des composés ioniques. [34] Les types courants de liaisons chimiques comprennent les liaisons ioniques, les liaisons covalentes et les liaisons hydrogène. La liaison ionique implique l'attraction électrostatique entre des ions chargés de manière opposée, ou entre deux atomes avec des électronégativités très différentes [36] et est la principale interaction se produisant dans les composés ioniques. Les ions sont des atomes (ou groupes d'atomes) avec une charge électrostatique. Les atomes qui gagnent des électrons produisent des ions chargés négativement (appelés anions) tandis que ceux qui perdent des électrons produisent des ions chargés positivement (appelés cations).

Contrairement aux liaisons ioniques, une liaison covalente implique le partage de paires d'électrons entre les atomes. Ces paires d'électrons et l'équilibre stable des forces attractives et répulsives entre les atomes, lorsqu'ils partagent des électrons, sont connus sous le nom de liaison covalente. [37]

Une liaison hydrogène est principalement une force d'attraction électrostatique entre un atome d'hydrogène qui est lié de manière covalente à un atome ou un groupe plus électronégatif tel que l'oxygène. Un exemple omniprésent d'une liaison hydrogène se trouve entre les molécules d'eau. Dans une molécule d'eau discrète, il y a deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Deux molécules d'eau peuvent former entre elles une liaison hydrogène. Lorsque plus de molécules sont présentes, comme c'est le cas avec l'eau liquide, plus de liaisons sont possibles car l'oxygène d'une molécule d'eau a deux paires isolées d'électrons, dont chacune peut former une liaison hydrogène avec un hydrogène sur une autre molécule d'eau.

Composés organiques

À l'exception de l'eau, presque toutes les molécules qui composent chaque organisme vivant contiennent du carbone. [38] [39] Le carbone peut former de très longues chaînes de liaisons carbone-carbone interconnectées, qui sont solides et stables. La forme la plus simple d'une molécule organique est l'hydrocarbure, qui est une grande famille de composés organiques composés d'atomes d'hydrogène liés à une chaîne d'atomes de carbone. Un squelette hydrocarboné peut être substitué par d'autres atomes. Lorsqu'il est combiné avec d'autres éléments tels que l'oxygène, l'hydrogène, le phosphore et le soufre, le carbone peut former de nombreux groupes de composés biologiques importants tels que les sucres, les graisses, les acides aminés et les nucléotides.

Macromolécules

Les molécules telles que les sucres, les acides aminés et les nucléotides peuvent agir comme des unités répétitives uniques appelées monomères pour former des molécules en forme de chaîne appelées polymères via un processus chimique appelé condensation. [40] Par exemple, les acides aminés peuvent former des polypeptides alors que les nucléotides peuvent former des brins d'acide désoxyribonucléique (ADN) ou d'acide ribonucléique (ARN). Les polymères constituent trois des quatre macromolécules (polysaccharides, lipides, protéines et acides nucléiques) que l'on trouve dans tous les organismes vivants. Chaque macromolécule joue un rôle spécialisé au sein d'une cellule donnée. Certains polysaccharides, par exemple, peuvent servir de matériau de stockage qui peut être hydrolysé pour fournir du sucre aux cellules. Les lipides sont la seule classe de macromolécules qui ne sont pas constituées de polymères et les lipides les plus importants sur le plan biologique sont les graisses, les phospholipides et les stéroïdes. [40] Les protéines sont les macromolécules les plus diverses, qui comprennent des enzymes, des protéines de transport, de grandes molécules de signalisation, des anticorps et des protéines structurelles. Enfin, les acides nucléiques stockent, transmettent et expriment des informations héréditaires. [40]

Cellules

La théorie cellulaire stipule que les cellules sont les unités fondamentales de la vie, que tous les êtres vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules et que toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes par division cellulaire. [41] La plupart des cellules sont très petites, avec des diamètres allant de 1 à 100 micromètres et ne sont donc visibles qu'au microscope optique ou électronique. [42] Il existe généralement deux types de cellules : les cellules eucaryotes, qui contiennent un noyau, et les cellules procaryotes, qui n'en contiennent pas. Les procaryotes sont des organismes unicellulaires tels que les bactéries, tandis que les eucaryotes peuvent être unicellulaires ou multicellulaires. Dans les organismes multicellulaires, chaque cellule du corps de l'organisme est dérivée en fin de compte d'une seule cellule dans un œuf fécondé.

Structure cellulaire

Chaque cellule est enfermée dans une membrane cellulaire qui sépare son cytoplasme de l'espace extracellulaire. [43] Une membrane cellulaire est constituée d'une bicouche lipidique, comprenant des cholestérols qui se situent entre les phospholipides pour maintenir leur fluidité à différentes températures. Les membranes cellulaires sont semi-perméables, laissant passer de petites molécules telles que l'oxygène, le dioxyde de carbone et l'eau tout en limitant le mouvement des molécules plus grosses et des particules chargées telles que les ions. [44] Les membranes cellulaires contiennent également des protéines membranaires, y compris des protéines membranaires intégrales qui traversent la membrane servant de transporteurs membranaires, et des protéines périphériques qui se fixent de manière lâche à la face externe de la membrane cellulaire, agissant comme des enzymes façonnant la cellule. [45] Les membranes cellulaires sont impliquées dans divers processus cellulaires tels que l'adhésion cellulaire, le stockage d'énergie électrique et la signalisation cellulaire et servent de surface de fixation pour plusieurs structures extracellulaires telles qu'une paroi cellulaire, un glycocalyx et un cytosquelette.

Dans le cytoplasme d'une cellule, il existe de nombreuses biomolécules telles que des protéines et des acides nucléiques. [46] En plus des biomolécules, les cellules eucaryotes ont des structures spécialisées appelées organites qui ont leurs propres bicouches lipidiques ou sont des unités spatiales. Ces organites comprennent le noyau cellulaire, qui contient l'information génétique d'une cellule, ou les mitochondries, qui génèrent de l'adénosine triphosphate (ATP) pour alimenter les processus cellulaires. D'autres organites tels que le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi jouent respectivement un rôle dans la synthèse et l'emballage des protéines. Les biomolécules telles que les protéines peuvent être englouties par les lysosomes, un autre organite spécialisé. Les cellules végétales ont des organites supplémentaires qui les distinguent des cellules animales telles qu'une paroi cellulaire, des chloroplastes et une vacuole.

Métabolisme

Toutes les cellules ont besoin d'énergie pour soutenir les processus cellulaires. L'énergie est la capacité de faire un travail, qui, en thermodynamique, peut être calculée en utilisant l'énergie libre de Gibbs. Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie est conservée, c'est-à-dire qu'elle ne peut être ni créée ni détruite. Par conséquent, les réactions chimiques dans une cellule ne créent pas de nouvelle énergie mais participent plutôt à la transformation et au transfert d'énergie. [47] Néanmoins, tous les transferts d'énergie conduisent à une certaine perte d'énergie utilisable, ce qui augmente l'entropie (ou l'état de désordre) comme indiqué par la deuxième loi de la thermodynamique. En conséquence, les organismes vivants tels que les cellules nécessitent un apport continu d'énergie pour maintenir un faible état d'entropie. Dans les cellules, l'énergie peut être transférée sous forme d'électrons lors de réactions d'oxydoréduction (réduction-oxydation), stockée dans des liaisons covalentes et générée par le mouvement d'ions (par exemple, hydrogène, sodium, potassium) à travers une membrane.

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui maintiennent la vie dans les organismes. Les trois objectifs principaux du métabolisme sont : la conversion des aliments en énergie pour exécuter les processus cellulaires, la conversion des aliments/carburants en éléments constitutifs pour les protéines, les lipides, les acides nucléiques et certains glucides et l'élimination des déchets métaboliques. Ces réactions catalysées par des enzymes permettent aux organismes de croître et de se reproduire, de maintenir leurs structures et de réagir à leur environnement. Les réactions métaboliques peuvent être classées comme cataboliques - la décomposition de composés (par exemple, la décomposition du glucose en pyruvate par respiration cellulaire) ou anaboliques - l'accumulation (synthèse) de composés (tels que les protéines, les glucides, les lipides et les acides). Habituellement, le catabolisme libère de l'énergie et l'anabolisme consomme de l'énergie.

Les réactions chimiques du métabolisme sont organisées en voies métaboliques, dans lesquelles un produit chimique est transformé par une série d'étapes en un autre produit chimique, chaque étape étant facilitée par une enzyme spécifique. Les enzymes sont cruciales pour le métabolisme car elles permettent aux organismes de provoquer des réactions souhaitables qui nécessitent une énergie qui ne se produira pas d'eux-mêmes, en les couplant à des réactions spontanées qui libèrent de l'énergie. Les enzymes agissent comme des catalyseurs - elles permettent à une réaction de se dérouler plus rapidement sans être consommée par elle - en réduisant la quantité d'énergie d'activation nécessaire pour convertir les réactifs en produits. Les enzymes permettent également de réguler la vitesse d'une réaction métabolique, par exemple en réponse à des changements dans l'environnement cellulaire ou à des signaux provenant d'autres cellules.

Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est un ensemble de réactions et de processus métaboliques qui se déroulent dans les cellules des organismes pour convertir l'énergie chimique des nutriments en adénosine triphosphate (ATP), puis libérer des déchets. [48] ​​Les réactions impliquées dans la respiration sont des réactions cataboliques, qui brisent les grosses molécules en plus petites, libérant de l'énergie car les liaisons faibles à haute énergie, en particulier dans l'oxygène moléculaire, [49] sont remplacées par des liaisons plus fortes dans les produits. La respiration est l'un des principaux moyens par lesquels une cellule libère de l'énergie chimique pour alimenter l'activité cellulaire. La réaction globale se déroule en une série d'étapes biochimiques, dont certaines sont des réactions redox. Bien que la respiration cellulaire soit techniquement une réaction de combustion, elle n'y ressemble clairement pas lorsqu'elle se produit dans une cellule vivante en raison de la libération lente et contrôlée d'énergie de la série de réactions.

Le sucre sous forme de glucose est le principal nutriment utilisé par les cellules animales et végétales dans la respiration. La respiration cellulaire impliquant l'oxygène est appelée respiration aérobie, qui comporte quatre étapes : la glycolyse, le cycle de l'acide citrique (ou cycle de Krebs), la chaîne de transport d'électrons et la phosphorylation oxydative. [50] La glycolyse est un processus métabolique qui se produit dans le cytoplasme par lequel le glucose est converti en deux pyruvates, deux molécules nettes d'ATP étant produites en même temps. [50] Chaque pyruvate est ensuite oxydé en acétyl-CoA par le complexe pyruvate déshydrogénase, qui génère également du NADH et du dioxyde de carbone. L'acétyl-Coa entre dans le cycle de l'acide citrique, qui se déroule à l'intérieur de la matrice mitochondriale. En fin de cycle, le rendement total de 1 glucose (ou 2 pyruvates) est de 6 NADH, 2 FADH2, et 2 molécules d'ATP. Enfin, l'étape suivante est la phosphorylation oxydative qui, chez les eucaryotes, se produit dans les crêtes mitochondriales. La phosphorylation oxydative comprend la chaîne de transport d'électrons, qui est une série de quatre complexes protéiques qui transfèrent des électrons d'un complexe à un autre, libérant ainsi de l'énergie du NADH et du FADH2 qui est couplé au pompage de protons (ions hydrogène) à travers la membrane mitochondriale interne (chimiosmose), qui génère une force motrice protonique. [50] L'énergie de la force motrice du proton pousse l'enzyme ATP synthase à synthétiser plus d'ATP en phosphorylant les ADP. Le transfert d'électrons se termine avec l'oxygène moléculaire étant l'accepteur d'électrons final.

En l'absence d'oxygène, le pyruvate ne serait pas métabolisé par la respiration cellulaire mais subirait un processus de fermentation. Le pyruvate n'est pas transporté dans la mitochondrie mais reste dans le cytoplasme, où il est converti en déchets qui peuvent être éliminés de la cellule. Cela sert à oxyder les porteurs d'électrons afin qu'ils puissent à nouveau effectuer la glycolyse et éliminer l'excès de pyruvate. La fermentation oxyde le NADH en NAD + afin qu'il puisse être réutilisé dans la glycolyse. En l'absence d'oxygène, la fermentation empêche l'accumulation de NADH dans le cytoplasme et fournit du NAD + pour la glycolyse. Ce déchet varie en fonction de l'organisme. Dans les muscles squelettiques, le déchet est l'acide lactique. Ce type de fermentation est appelé fermentation lactique. Lors d'un exercice intense, lorsque les demandes d'énergie dépassent l'approvisionnement énergétique, la chaîne respiratoire ne peut pas traiter tous les atomes d'hydrogène joints par le NADH. Au cours de la glycolyse anaérobie, le NAD + se régénère lorsque des paires d'hydrogène se combinent avec du pyruvate pour former du lactate. La formation de lactate est catalysée par la lactate déshydrogénase dans une réaction réversible. Le lactate peut également être utilisé comme précurseur indirect du glycogène hépatique. Pendant la récupération, lorsque l'oxygène devient disponible, le NAD + se fixe à l'hydrogène du lactate pour former de l'ATP. Dans la levure, les déchets sont l'éthanol et le dioxyde de carbone. Ce type de fermentation est connu sous le nom de fermentation alcoolique ou éthanolique. L'ATP généré dans ce processus est fabriqué par phosphorylation au niveau du substrat, qui ne nécessite pas d'oxygène.

Photosynthèse

La photosynthèse est un processus utilisé par les plantes et d'autres organismes pour convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique qui peut ensuite être libérée pour alimenter les activités métaboliques de l'organisme via la respiration cellulaire. Cette énergie chimique est stockée dans des molécules glucidiques, comme les sucres, qui sont synthétisés à partir de dioxyde de carbone et d'eau. [51] [52] [53] Dans la plupart des cas, l'oxygène est également libéré en tant que déchet. La plupart des plantes, des algues et des cyanobactéries effectuent la photosynthèse, qui est en grande partie responsable de la production et du maintien de la teneur en oxygène de l'atmosphère terrestre, et fournit la majeure partie de l'énergie nécessaire à la vie sur Terre. [54]

La photosynthèse comporte quatre étapes : l'absorption de la lumière, le transport des électrons, la synthèse de l'ATP et la fixation du carbone. [50] L'absorption de la lumière est l'étape initiale de la photosynthèse par laquelle l'énergie lumineuse est absorbée par les pigments de chlorophylle attachés aux protéines des membranes thylacoïdes. L'énergie lumineuse absorbée est utilisée pour éliminer les électrons d'un donneur (eau) vers un accepteur d'électrons primaire, une quinone désignée par Q. Dans la deuxième étape, les électrons se déplacent de l'accepteur d'électrons primaire de la quinone à travers une série de porteurs d'électrons jusqu'à ce qu'ils atteignent un accepteur d'électrons final, qui est généralement la forme oxydée du NADP + , qui est réduit en NADPH, un processus qui se déroule dans un complexe protéique appelé photosystème I (PSI). Le transport d'électrons est couplé au mouvement de protons (ou d'hydrogène) du stroma vers la membrane thylakoïde, qui forme un gradient de pH à travers la membrane car l'hydrogène devient plus concentré dans la lumière que dans le stroma. Ceci est analogue à la force motrice protonique générée à travers la membrane mitochondriale interne dans la respiration aérobie. [50]

Au cours de la troisième étape de la photosynthèse, le mouvement des protons vers le bas de leurs gradients de concentration de la lumière thylakoïde au stroma via l'ATP synthase est couplé à la synthèse d'ATP par cette même ATP synthase. [50] Le NADPH et les ATP générés par les réactions dépendantes de la lumière dans les deuxième et troisième étapes, respectivement, fournissent l'énergie et les électrons pour conduire la synthèse du glucose en fixant le dioxyde de carbone atmosphérique dans les composés organiques du carbone existants, tels que le ribulose bisphosphate ( RuBP) dans une séquence de réactions indépendantes de la lumière (ou de l'obscurité) appelée cycle de Calvin. [55]

La signalisation cellulaire

La communication cellulaire (ou signalisation) est la capacité des cellules à recevoir, traiter et transmettre des signaux avec son environnement et avec elle-même. [56] [57] Les signaux peuvent être non chimiques tels que la lumière, les impulsions électriques et la chaleur, ou des signaux chimiques (ou des ligands) qui interagissent avec des récepteurs, qui peuvent être intégrés dans la membrane cellulaire d'une autre cellule ou situés profondément à l'intérieur une cellule. [58] [57] Il existe généralement quatre types de signaux chimiques : autocrine, paracrine, juxtacrine et hormones. [58] Dans la signalisation autocrine, le ligand affecte la même cellule qui le libère. Les cellules tumorales, par exemple, peuvent se reproduire de manière incontrôlable car elles libèrent des signaux qui initient leur propre division. Dans la signalisation paracrine, le ligand diffuse vers les cellules voisines et les affecte. Par exemple, les cellules du cerveau appelées neurones libèrent des ligands appelés neurotransmetteurs qui diffusent à travers une fente synaptique pour se lier à un récepteur sur une cellule adjacente telle qu'un autre neurone ou une cellule musculaire. Dans la signalisation juxtacrine, il y a un contact direct entre la signalisation et les cellules répondantes. Enfin, les hormones sont des ligands qui voyagent à travers les systèmes circulatoires des animaux ou les systèmes vasculaires des plantes pour atteindre leurs cellules cibles. Une fois qu'un ligand se lie à un récepteur, il peut influencer le comportement d'une autre cellule, selon le type de récepteur. Par exemple, les neurotransmetteurs qui se lient à un récepteur inotrope peuvent altérer l'excitabilité d'une cellule cible. D'autres types de récepteurs comprennent les récepteurs de protéine kinase (par exemple, le récepteur de l'hormone insuline) et les récepteurs couplés à la protéine G. L'activation des récepteurs couplés aux protéines G peut initier des cascades de second messager. Le processus par lequel un signal chimique ou physique est transmis à travers une cellule sous la forme d'une série d'événements moléculaires est appelé transduction de signal

Cycle cellulaire

Le cycle cellulaire est une série d'événements qui se déroulent dans une cellule et qui la font se diviser en deux cellules filles. Ces événements incluent la duplication de son ADN et de certains de ses organites, et la partition subséquente de son cytoplasme en deux cellules filles dans un processus appelé division cellulaire. [59] Chez les eucaryotes (c'est-à-dire les cellules animales, végétales, fongiques et protistes), il existe deux types distincts de division cellulaire : la mitose et la méiose. [60] La mitose fait partie du cycle cellulaire, dans lequel les chromosomes répliqués sont séparés en deux nouveaux noyaux. La division cellulaire donne naissance à des cellules génétiquement identiques dans lesquelles le nombre total de chromosomes est maintenu. En général, la mitose (division du noyau) est précédée du stade S de l'interphase (au cours de laquelle l'ADN est répliqué) et est souvent suivie de la télophase et de la cytokinèse qui divisent le cytoplasme, les organites et la membrane cellulaire d'une cellule en deux nouvelles cellules contenant des parts à peu près égales de ces composants cellulaires. Les différentes étapes de la mitose définissent toutes ensemble la phase mitotique d'un cycle cellulaire animal - la division de la cellule mère en deux cellules filles génétiquement identiques. [61] Le cycle cellulaire est un processus vital par lequel un œuf fécondé unicellulaire se développe en un organisme mature, ainsi que le processus par lequel les cheveux, la peau, les cellules sanguines et certains organes internes sont renouvelés. Après la division cellulaire, chacune des cellules filles commence l'interphase d'un nouveau cycle. Contrairement à la mitose, la méiose produit quatre cellules filles haploïdes en subissant un cycle de réplication de l'ADN suivi de deux divisions. [62] Les chromosomes homologues sont séparés dans la première division (méiose I) et les chromatides sœurs sont séparées dans la deuxième division (méiose II). Ces deux cycles de division cellulaire sont utilisés dans le processus de reproduction sexuée à un moment donné de leur cycle de vie.On pense que les deux sont présents dans le dernier ancêtre commun eucaryote.

Les procaryotes (c'est-à-dire les archées et les bactéries) peuvent également subir une division cellulaire (ou une fission binaire). Contrairement aux processus de mitose et de méiose chez les eucaryotes, la fission binaire chez les procaryotes a lieu sans formation d'un appareil à fuseau sur la cellule. Avant la fission binaire, l'ADN de la bactérie est étroitement enroulé. Après s'être déroulé et dupliqué, il est tiré vers les pôles séparés de la bactérie à mesure qu'il augmente la taille pour se préparer à la division. La croissance d'une nouvelle paroi cellulaire commence à séparer la bactérie (déclenchée par la polymérisation FtsZ et la formation de « anneaux Z ») [63] La nouvelle paroi cellulaire (septum) se développe complètement, entraînant la scission complète de la bactérie. Les nouvelles cellules filles ont des bâtonnets d'ADN étroitement enroulés, des ribosomes et des plasmides.

La génétique

Héritage

La génétique est l'étude scientifique de l'hérédité. [64] [65] [66] L'hérédité mendélienne, en particulier, est le processus par lequel les gènes et les traits sont transmis des parents à la progéniture. [31] Il a été formulé par Gregor Mendel, basé sur son travail avec des plants de pois au milieu du XIXe siècle. Mendel a établi plusieurs principes d'héritage. La première est que les caractéristiques génétiques, qui sont maintenant appelées allèles, sont discrètes et ont des formes alternatives (par exemple, violet contre blanc ou grand contre nain), chacune héritée de l'un des deux parents. Sur la base de sa loi de dominance et d'uniformité, qui stipule que certains allèles sont dominants tandis que d'autres sont récessifs, un organisme avec au moins un allèle dominant affichera le phénotype de cet allèle dominant. [67] Les exceptions à cette règle incluent la pénétrance et l'expressivité. [31] Mendel a noté que pendant la formation des gamètes, les allèles de chaque gène se séparent les uns des autres de sorte que chaque gamète ne porte qu'un allèle pour chaque gène, ce qui est indiqué par sa loi de ségrégation. Les individus hétérozygotes produisent des gamètes avec une fréquence égale de deux allèles. Enfin, Mendel a formulé la loi de l'assortiment indépendant, qui stipule que les gènes de différents traits peuvent se séparer indépendamment lors de la formation des gamètes, c'est-à-dire que les gènes ne sont pas liés. Une exception à cette règle inclurait les traits liés au sexe. Des croisements de test peuvent être effectués pour déterminer expérimentalement le génotype sous-jacent d'un organisme avec un phénotype dominant. [68] Un carré de Punnett peut être utilisé pour prédire les résultats d'un test croisé. La théorie chromosomique de l'hérédité, qui stipule que les gènes se trouvent sur les chromosomes, a été soutenue par les expériences de Thomas Morgans avec les mouches des fruits, qui ont établi le lien sexuel entre la couleur des yeux et le sexe chez ces insectes. [69] Chez les humains et d'autres mammifères (par exemple, les chiens), il n'est pas faisable ou pratique de mener des expériences croisées de test. Au lieu de cela, les pedigrees, qui sont des représentations génétiques d'arbres généalogiques, [70] sont plutôt utilisés pour retracer l'héritage d'un trait ou d'une maladie spécifique sur plusieurs générations. [71]

L'acide désoxyribonucléique (ADN) est une molécule composée de deux chaînes polynucléotidiques qui s'enroulent l'une autour de l'autre pour former une double hélice portant des informations génétiques héréditaires. Les deux brins d'ADN sont appelés polynucléotides car ils sont composés de monomères appelés nucléotides. [72] [73] Chaque nucléotide est composé de l'une des quatre bases azotées (cytosine [C], guanine [G], adénine [A] ou thymine [T]), d'un sucre appelé désoxyribose et d'un groupe phosphate. Les nucléotides sont liés les uns aux autres dans une chaîne par des liaisons covalentes entre le sucre d'un nucléotide et le phosphate du suivant, ce qui donne un squelette alternatif sucre-phosphate. C'est la séquence de ces quatre bases le long du squelette qui code l'information génétique. Les bases des deux brins polynucléotidiques sont liées entre elles par des liaisons hydrogène, selon les règles d'appariement des bases (A avec T et C avec G), pour former un ADN double brin. Les bases sont divisées en deux groupes : les pyrimidines et les purines. Dans l'ADN, les pyrimidines sont la thymine et la cytosine tandis que les purines sont l'adénine et la guanine. Les deux brins d'ADN vont dans des directions opposées et sont donc antiparallèles. L'ADN est répliqué une fois que les deux brins se séparent.

Un gène est une unité d'hérédité qui correspond à une région de l'ADN qui influence la forme ou la fonction d'un organisme de manière spécifique. L'ADN se trouve sous forme de chromosomes linéaires chez les eucaryotes et de chromosomes circulaires chez les procaryotes. Un chromosome est une structure organisée constituée d'ADN et d'histones. L'ensemble des chromosomes dans une cellule et toute autre information héréditaire trouvée dans les mitochondries, les chloroplastes ou d'autres emplacements est collectivement connu sous le nom de génome cellulaire. Chez les eucaryotes, l'ADN génomique est localisé dans le noyau cellulaire, ou en petites quantités dans les mitochondries et les chloroplastes. [74] Chez les procaryotes, l'ADN est contenu dans un corps de forme irrégulière dans le cytoplasme appelé nucléoïde. [75] L'information génétique dans un génome est contenue dans les gènes, et l'assemblage complet de cette information dans un organisme est appelé son génotype. [76] Les gènes codent les informations nécessaires aux cellules pour la synthèse des protéines, qui à leur tour jouent un rôle central en influençant le phénotype final de l'organisme.

L'expression du gène

L'expression génique est le processus par lequel les informations d'un gène sont utilisées dans la synthèse d'un produit génique fonctionnel qui lui permet de produire des produits finaux, une protéine ou un ARN non codant, et finalement affecter un phénotype, comme effet final. Le processus est résumé dans le dogme central de la biologie moléculaire formulé pour la première fois par Francis Crick en 1958. [77] [78] [79] L'expression des gènes est le niveau le plus fondamental auquel un génotype donne naissance à un phénotype, c'est-à-dire un trait observable. L'information génétique stockée dans l'ADN représente le génotype, tandis que le phénotype résulte de la synthèse de protéines qui contrôlent la structure et le développement d'un organisme, ou qui agissent comme des enzymes catalysant des voies métaboliques spécifiques. Une grande partie de l'ADN (par exemple, >98% chez l'homme) n'est pas codante, ce qui signifie que ces sections ne servent pas de modèles pour les séquences de protéines. Les brins d'ARN messager (ARNm) sont créés en utilisant des brins d'ADN comme matrice dans un processus appelé transcription, où les bases d'ADN sont échangées contre leurs bases correspondantes, sauf dans le cas de la thymine (T), pour laquelle l'ARN remplace l'uracile (U). [80] Sous le code génétique, ces brins d'ARNm spécifient la séquence d'acides aminés dans les protéines dans un processus appelé traduction, qui se produit dans les ribosomes. Ce processus est utilisé par toute la vie - les eucaryotes (y compris les organismes multicellulaires), les procaryotes (bactéries et archées) et utilisé par les virus - pour générer la machinerie macromoléculaire de la vie. Les produits géniques sont souvent des protéines, mais dans les gènes non codants pour les protéines tels que l'ARN de transfert (ARNt) et le petit ARN nucléaire (ARNsn), le produit est un ARN non codant fonctionnel. [81] [82] Toutes les étapes du processus d'expression génique peuvent être régulées, y compris la transcription, l'épissage d'ARN, la traduction et la modification post-traductionnelle d'une protéine. La régulation de l'expression génique permet de contrôler le moment, l'emplacement et la quantité d'un produit génique donné (protéine ou ARNnc) présent dans une cellule et peut avoir un effet profond sur la structure et la fonction cellulaires.

Génomes

Un génome est l'ensemble complet d'ADN d'un organisme, y compris tous ses gènes. [83] Le séquençage et l'analyse des génomes peuvent être effectués en utilisant le séquençage d'ADN à haut débit et la bioinformatique pour assembler et analyser la fonction et la structure de génomes entiers. [84] [85] [86] Beaucoup de gènes codent plus d'une protéine, avec des modifications post-traductionnelles augmentant la diversité de protéines dans une cellule. Le protéome d'une cellule est l'ensemble de ses protéines exprimées par son génome. [87] Les génomes des procaryotes sont petits, compacts et diversifiés. En revanche, les génomes des eucaryotes sont plus grands et plus complexes, comme ayant plus de séquences régulatrices et une grande partie de son génome est constituée de séquences d'ADN non codantes pour l'ARN fonctionnel (ARNr, ARNt et ARNm) ou de séquences régulatrices. Les génomes de divers organismes modèles tels que l'arabidopsis, la mouche des fruits, les souris, les nématodes et les levures ont été séquencés. Le séquençage de l'ensemble du génome humain a donné des applications pratiques telles que les empreintes génétiques, qui peuvent être utilisées pour les tests de paternité et la médecine légale. En médecine, le séquençage de l'ensemble du génome humain a permis d'identifier les mutations qui causent les tumeurs ainsi que les gènes qui causent un trouble génétique spécifique. [87]

Biotechnologie

La biotechnologie est l'utilisation de cellules ou d'organismes vivants pour développer des produits pour les humains. [88] Il comprend des outils tels que l'ADN recombinant, qui sont des molécules d'ADN formées par des méthodes de laboratoire de recombinaison génétique telles que le clonage moléculaire, qui rassemblent du matériel génétique provenant de sources multiples, créant des séquences qui ne seraient pas autrement trouvées dans un génome. D'autres outils incluent l'utilisation de bibliothèques génomiques, de puces à ADN, de vecteurs d'expression, de génomique synthétique et d'édition de gènes CRISPR. [88] [89] Beaucoup de ces outils ont de larges applications telles que la création de protéines médicalement utiles, ou l'amélioration de la culture des plantes et de l'élevage. [88] L'insuline humaine, par exemple, a été le premier médicament à être fabriqué à l'aide de la technologie de l'ADN recombinant. D'autres approches telles que le pharming peuvent produire de grandes quantités de produits médicalement utiles grâce à l'utilisation d'organismes génétiquement modifiés. [88]

Gènes, développement et évolution

Le développement est le processus par lequel un organisme multicellulaire (plante ou animal) subit une série de changements, partant d'une seule cellule, et prenant diverses formes caractéristiques de son cycle de vie. [90] Il existe quatre processus clés qui sous-tendent le développement : la détermination, la différenciation, la morphogenèse et la croissance. La détermination définit le destin développemental d'une cellule, qui devient plus restrictif au cours du développement. La différenciation est le processus par lequel les cellules spécialisées sont issues de cellules moins spécialisées telles que les cellules souches. [91] [92] Les cellules souches sont des cellules indifférenciées ou partiellement différenciées qui peuvent se différencier en divers types de cellules et proliférer indéfiniment pour produire plus de la même cellule souche. [93] La différenciation cellulaire modifie considérablement la taille, la forme, le potentiel membranaire, l'activité métabolique et la réactivité d'une cellule aux signaux, qui sont en grande partie dus à des modifications hautement contrôlées de l'expression des gènes et de l'épigénétique. À quelques exceptions près, la différenciation cellulaire n'implique presque jamais un changement dans la séquence d'ADN elle-même. [94] Ainsi, différentes cellules peuvent avoir des caractéristiques physiques très différentes malgré le même génome. La morphogenèse, ou le développement de la forme corporelle, est le résultat de différences spatiales dans l'expression des gènes. [90] En particulier, l'organisation des tissus différenciés en structures spécifiques telles que les bras ou les ailes, connue sous le nom de formation de motifs, est régie par des morphogènes, des molécules de signalisation qui se déplacent d'un groupe de cellules vers les cellules environnantes, créant un gradient de morphogène comme décrit par le modèle du drapeau français. L'apoptose, ou mort cellulaire programmée, se produit également au cours de la morphogenèse, telle que la mort des cellules entre les doigts dans le développement embryonnaire humain, qui libère les doigts et les orteils individuels. L'expression des gènes des facteurs de transcription peut déterminer le placement des organes dans une plante et une cascade de facteurs de transcription eux-mêmes peut établir la segmentation du corps chez une mouche des fruits. [90]

Une petite fraction des gènes du génome d'un organisme, appelée boîte à outils génétique du développement, contrôle le développement de cet organisme. Ces gènes de la boîte à outils sont hautement conservés parmi les phylums, ce qui signifie qu'ils sont anciens et très similaires dans des groupes d'animaux largement séparés. Les différences dans le déploiement des gènes de la boîte à outils affectent le plan corporel et le nombre, l'identité et la configuration des parties du corps. Parmi les gènes les plus importants de la boîte à outils figurent les Hox gènes. Les gènes Hox déterminent où les parties répétitives, telles que les nombreuses vertèbres des serpents, se développeront dans un embryon ou une larve en développement. [95] Les variations dans la boîte à outils peuvent avoir produit une grande partie de l'évolution morphologique des animaux. La boîte à outils peut conduire l'évolution de deux manières. Un gène de boîte à outils peut être exprimé de manière différente, comme lorsque le bec du grand pinson de Darwin a été agrandi par le BMP gène, [96] ou lorsque les serpents ont perdu leurs pattes comme Distal-moins (Dlx) les gènes sont devenus sous-exprimés ou pas exprimés du tout aux endroits où d'autres reptiles ont continué à former leurs membres. [97] Ou, un gène de boîte à outils peut acquérir une nouvelle fonction, comme on le voit dans les nombreuses fonctions de ce même gène, moins distal, qui contrôle des structures aussi diverses que la mandibule chez les vertébrés, [98] [99] les pattes et les antennes chez la mouche des fruits, [100] et le motif de la tache oculaire chez les ailes de papillon. [101] Étant donné que de petits changements dans les gènes de la boîte à outils peuvent provoquer des changements importants dans les structures corporelles, ils ont souvent permis une évolution convergente ou parallèle.

Évolution

Processus évolutifs

Un concept organisateur central en biologie est que la vie change et se développe au cours de l'évolution, c'est-à-dire le changement des caractéristiques héréditaires des populations au cours des générations successives. [102] [103] L'évolution est maintenant utilisée pour expliquer les grandes variations de la vie sur Terre. Le terme évolution a été introduit dans le lexique scientifique par Jean-Baptiste de Lamarck en 1809, [104] et cinquante ans plus tard, Charles Darwin et Alfred Russel Wallace ont formulé la théorie de l'évolution par sélection naturelle. [105] [106] [107] [108] Selon cette théorie, les individus diffèrent les uns des autres en ce qui concerne leurs traits héréditaires, ce qui entraîne différents taux de survie et de reproduction. En conséquence, les traits mieux adaptés à leur environnement sont plus susceptibles d'être transmis aux générations suivantes. [109] [110] Darwin n'était pas au courant du travail de Mendel sur l'hérédité et donc le mécanisme exact de l'hérédité qui sous-tend la sélection naturelle n'était pas bien compris [111] jusqu'au début du 20ème siècle lorsque la synthèse moderne a réconcilié l'évolution darwinienne avec la génétique classique, qui a établi une perspective néo-darwinienne de l'évolution par sélection naturelle. [112] Cette perspective soutient que l'évolution se produit lorsqu'il y a des changements dans les fréquences alléliques au sein d'une population d'organismes qui se croisent. En l'absence de tout processus évolutif agissant sur une grande population d'accouplement aléatoire, les fréquences alléliques resteront constantes d'une génération à l'autre, comme décrit par le principe de Hardy-Weinberg. [113]

Un autre processus moteur de l'évolution est la dérive génétique, c'est-à-dire les fluctuations aléatoires des fréquences alléliques au sein d'une population d'une génération à l'autre. [114] Lorsque les forces sélectives sont absentes ou relativement faibles, les fréquences alléliques sont également susceptibles de dérive vers le haut ou vers le bas à chaque génération successive car les allèles sont sujets à une erreur d'échantillonnage. [115] Cette dérive s'arrête lorsqu'un allèle finit par se fixer, soit en disparaissant de la population, soit en remplaçant entièrement les autres allèles. La dérive génétique peut donc éliminer certains allèles d'une population du seul fait du hasard.

Spéciation

La spéciation est le processus de division d'une lignée en deux lignées qui évoluent indépendamment l'une de l'autre. [116] Pour que la spéciation se produise, il doit y avoir un isolement reproductif. [116] L'isolement reproductif peut résulter d'incompatibilités entre les gènes comme décrit par le modèle Bateson-Dobzhansky-Muller. L'isolement reproductif a également tendance à augmenter avec la divergence génétique. La spéciation peut se produire lorsqu'il existe des barrières physiques qui divisent une espèce ancestrale, un processus connu sous le nom de spéciation allopatrique. [116] En revanche, la spéciation sympatrique se produit en l'absence de barrières physiques.

L'isolement pré-zygotique tel que les isolements mécaniques, temporels, comportementaux, d'habitat et gamétiques peut empêcher différentes espèces de s'hybrider. [116] De même, les isolements post-zygotiques peuvent entraîner une sélection contre l'hybridation en raison de la viabilité plus faible des hybrides ou de l'infertilité hybride (par exemple, mule). Des zones hybrides peuvent émerger s'il devait y avoir un isolement reproducteur incomplet entre deux espèces étroitement apparentées.

Phylogénies

Une phylogénie est une histoire évolutive d'un groupe spécifique d'organismes ou de leurs gènes. [117] Une phylogénie peut être représentée à l'aide d'un arbre phylogénétique, qui est un diagramme montrant les lignes de descendance entre les organismes ou leurs gènes. Chaque ligne tracée sur l'axe du temps d'un arbre représente une lignée de descendants d'une espèce ou d'une population particulière. Lorsqu'une lignée se divise en deux, elle est représentée comme un nœud (ou scission) sur l'arbre phylogénétique. Plus il y a de divisions au fil du temps, plus il y aura de branches sur l'arbre, l'ancêtre commun de tous les organismes de cet arbre étant représenté par la racine de cet arbre. Les arbres phylogénétiques peuvent représenter l'histoire évolutive de toutes les formes de vie, un groupe évolutif majeur (par exemple, les insectes) ou un groupe encore plus petit d'espèces étroitement apparentées. Dans un arbre, tout groupe d'espèces désigné par un nom est un taxon (par exemple, les humains, les primates, les mammifères ou les vertébrés) et un taxon qui se compose de tous ses descendants évolutifs est un clade. Les espèces étroitement apparentées sont appelées espèces sœurs et les clades étroitement apparentés sont les clades sœurs.

Les arbres phylogénétiques sont la base pour comparer et regrouper différentes espèces. [117] Différentes espèces qui partagent une caractéristique héritée d'un ancêtre commun sont décrites comme ayant des caractéristiques homologues. Les caractéristiques homologues peuvent être des traits héréditaires tels que la séquence d'ADN, les structures protéiques, les caractéristiques anatomiques et les modèles de comportement. Une colonne vertébrale est un exemple de caractéristique homologue partagée par tous les animaux vertébrés. Les traits qui ont une forme ou une fonction similaire mais qui ne dérivent pas d'un ancêtre commun sont décrits comme des traits analogues. Les phylogénies peuvent être reconstruites pour un groupe d'organismes d'intérêts primaires, appelés l'endogroupe. Une espèce ou un groupe qui est étroitement lié à l'endogroupe mais qui est phylogénétiquement en dehors de celui-ci s'appelle l'exogroupe, qui sert de point de référence dans l'arbre. La racine de l'arbre est située entre l'endogroupe et l'exogroupe. [117] Lorsque les arbres phylogénétiques sont reconstruits, plusieurs arbres avec des histoires évolutives différentes peuvent être générés. Sur la base du principe de parcimonie (ou rasoir d'Occam), l'arbre privilégié est celui avec le moins de changements évolutifs à assumer sur tous les traits de tous les groupes. Des algorithmes de calcul peuvent être utilisés pour déterminer comment un arbre a pu évoluer compte tenu des preuves. [117]

La phylogénie fournit la base de la classification biologique, qui est basée sur la taxonomie linnéenne développée par Carl Linnaeus au 18ème siècle. [117] Ce système de classification est basé sur le rang, le rang le plus élevé étant le domaine suivi du royaume, du phylum, de la classe, de l'ordre, de la famille, du genre et de l'espèce. [117] Tous les organismes vivants peuvent être classés comme appartenant à l'un des trois domaines suivants : les bactéries archées (à l'origine les archébactéries) (à l'origine les eubactéries) ou les eucaryas (incluant les règnes protiste, fongique, végétal et animal).[118] Une nomenclature binomiale est utilisée pour classer les différentes espèces. Sur la base de ce système, chaque espèce se voit attribuer deux noms, un pour son genre et un autre pour son espèce. [117] Par exemple, les humains sont Homo sapiens, avec Homo étant le genre et sapiens étant l'espèce. Par convention, les noms scientifiques des organismes sont en italique, avec seulement la première lettre du genre en majuscule. [119] [120]

Histoire de la vie

L'histoire de la vie sur Terre retrace les processus par lesquels les organismes ont évolué depuis la première émergence de la vie jusqu'à nos jours. La Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années et toute la vie sur Terre, à la fois vivante et éteinte, descend d'un dernier ancêtre commun universel qui a vécu il y a environ 3,5 milliards d'années. [121] [122] Les similitudes parmi toutes les espèces actuelles connues indiquent qu'elles ont divergé par le processus d'évolution de leur ancêtre commun. [123] Les biologistes considèrent l'ubiquité du code génétique comme la preuve d'une descendance commune universelle pour toutes les bactéries, archées et eucaryotes. [124] [10] [125] [126]

Les tapis microbiens de bactéries et d'archées coexistantes étaient la forme de vie dominante au début de l'époque archéenne et de nombreuses étapes majeures de l'évolution précoce auraient eu lieu dans cet environnement. [127] Les premières preuves d'eucaryotes datent d'il y a 1,85 milliard d'années, [128] [129] et bien qu'ils aient pu être présents plus tôt, leur diversification s'est accélérée lorsqu'ils ont commencé à utiliser l'oxygène dans leur métabolisme. Plus tard, il y a environ 1,7 milliard d'années, des organismes multicellulaires ont commencé à apparaître, avec des cellules différenciées remplissant des fonctions spécialisées. [130]

Les plantes terrestres multicellulaires ressemblant à des algues remontent à environ 1 milliard d'années [131], bien que des preuves suggèrent que les micro-organismes aient formé les premiers écosystèmes terrestres, il y a au moins 2,7 milliards d'années. [132] On pense que les micro-organismes ont ouvert la voie à la création de plantes terrestres à l'époque ordovicienne. Les plantes terrestres ont eu un tel succès qu'on pense qu'elles ont contribué à l'extinction du Dévonien supérieur. [133]

Le biote d'Ediacara apparaît au cours de la période d'Ediacara [134], tandis que les vertébrés, ainsi que la plupart des autres phylums modernes, sont apparus il y a environ 525 millions d'années lors de l'explosion cambrienne. [135] Au cours de la période permienne, les synapsides, y compris les ancêtres des mammifères, dominaient la terre, [136] mais la plupart de ce groupe s'est éteint lors de l'extinction du Permien-Trias il y a 252 millions d'années. [137] Pendant la récupération de cette catastrophe, les archosaures sont devenus les vertébrés terrestres les plus abondants [138] un groupe d'archosaures, les dinosaures, a dominé les périodes jurassique et crétacée. [139] Après que l'événement d'extinction du Crétacé-Paléogène il y a 66 millions d'années ait tué les dinosaures non aviaires, [140] les mammifères ont augmenté rapidement en taille et en diversité. [141] De telles extinctions massives peuvent avoir accéléré l'évolution en offrant des opportunités à de nouveaux groupes d'organismes de se diversifier. [142]

La diversité

Bactéries et archées

Les bactéries sont un type de cellules qui constituent un vaste domaine de micro-organismes procaryotes. Généralement de quelques micromètres de longueur, les bactéries ont un certain nombre de formes, allant des sphères aux tiges et aux spirales. Les bactéries ont été parmi les premières formes de vie à apparaître sur Terre et sont présentes dans la plupart de ses habitats. Les bactéries habitent le sol, l'eau, les sources chaudes acides, les déchets radioactifs [143] et la biosphère profonde de la croûte terrestre. Les bactéries vivent également dans des relations symbiotiques et parasitaires avec les plantes et les animaux. La plupart des bactéries n'ont pas été caractérisées, et seulement 27 pour cent environ des embranchements bactériens ont des espèces qui peuvent être cultivées en laboratoire. [144]

Les archées constituent l'autre domaine des cellules procaryotes et ont été initialement classées parmi les bactéries, recevant le nom d'archaebactéries (dans le royaume des archaebactéries), terme qui est tombé en désuétude. [145] Les cellules archéennes ont des propriétés uniques qui les séparent des deux autres domaines, les bactéries et les eucaryotes. Les archées sont en outre divisées en plusieurs phylums reconnus. Les archées et les bactéries sont généralement de taille et de forme similaires, bien que quelques archées aient des formes très différentes, telles que les cellules plates et carrées de Haloquadratum walsbyi. [146] Malgré cette similitude morphologique avec les bactéries, les archées possèdent des gènes et plusieurs voies métaboliques plus proches de celles des eucaryotes, notamment pour les enzymes impliquées dans la transcription et la traduction. D'autres aspects de la biochimie des archées sont uniques, tels que leur dépendance aux lipides éthers dans leurs membranes cellulaires, [147] y compris les archéols. Les archées utilisent plus de sources d'énergie que les eucaryotes : celles-ci vont des composés organiques, tels que les sucres, à l'ammoniac, aux ions métalliques ou même à l'hydrogène gazeux. Les archées tolérantes au sel (les Haloarchaea) utilisent la lumière du soleil comme source d'énergie, et d'autres espèces d'archées fixent le carbone, mais contrairement aux plantes et aux cyanobactéries, aucune espèce connue d'archées ne fait les deux. Les archées se reproduisent de manière asexuée par fission binaire, fragmentation ou bourgeonnement contrairement aux bactéries, aucune espèce connue d'archées ne forme d'endospores.

Les premières archées observées étaient des extrêmophiles, vivant dans des environnements extrêmes, tels que des sources chaudes et des lacs salés sans aucun autre organisme. Des outils de détection moléculaire améliorés ont conduit à la découverte d'archées dans presque tous les habitats, y compris le sol, les océans et les marais. Les archées sont particulièrement nombreuses dans les océans et les archées du plancton peuvent être l'un des groupes d'organismes les plus abondants de la planète.

Les archées sont une partie importante de la vie sur Terre. Ils font partie du microbiote de tous les organismes. Dans le microbiome humain, ils sont importants dans l'intestin, la bouche et la peau. [148] Leur diversité morphologique, métabolique et géographique leur permet de jouer de multiples rôles écologiques : fixation du carbone, cycle de l'azote, renouvellement des composés organiques et maintien des communautés microbiennes symbiotiques et syntrophiques, par exemple. [149]

Protistes

Les protistes sont des organismes eucaryotes qui ne sont ni un animal, ni une plante, ni un champignon. Bien qu'il soit probable que les protistes partagent un ancêtre commun (le dernier ancêtre commun eucaryote), [150] l'exclusion des autres eucaryotes signifie que les protistes ne forment pas un groupe naturel, ou clade. [a] Ainsi, certains protistes peuvent être plus étroitement liés aux animaux, aux plantes ou aux champignons qu'ils ne le sont à d'autres protistes, cependant, comme les algues, les invertébrés ou les protozoaires, le regroupement est utilisé par commodité. [151]

La taxonomie des protistes est encore en train de changer. Des classifications plus récentes tentent de présenter des groupes monophylétiques basés sur des informations morphologiques (en particulier ultrastructurales), [152] [153] [154] biochimiques (chimiotaxonomie) [155] [156] et de séquence d'ADN (recherche moléculaire). [157] [158] Parce que les protistes dans leur ensemble sont paraphylétiques, les nouveaux systèmes divisent ou abandonnent souvent le royaume, traitant plutôt les groupes protistes comme des lignées séparées d'eucaryotes.

Diversité végétale

Les plantes sont principalement des organismes multicellulaires, principalement des eucaryotes photosynthétiques du royaume Plantae. La botanique est l'étude de la vie végétale, ce qui exclurait les champignons et certaines algues. Les botanistes ont étudié environ 410 000 espèces de plantes terrestres dont 391 000 espèces de plantes vasculaires (dont environ 369 000 espèces de plantes à fleurs) [159] et environ 20 000 de bryophytes. [160]

Les algues constituent un groupe important et diversifié d'organismes eucaryotes photosynthétiques. Les organismes inclus vont des microalgues unicellulaires, telles que Chlorelle, Prototheca et les diatomées, aux formes multicellulaires, comme le varech géant, une grande algue brune. La plupart sont aquatiques et autotrophes et manquent de nombreux types distincts de cellules et de tissus, tels que les stomates, le xylème et le phloème, que l'on trouve dans les plantes terrestres. Les algues marines les plus grandes et les plus complexes sont appelées algues, tandis que les formes d'eau douce les plus complexes sont les Charophyta.

Les plantes non vasculaires sont des plantes sans système vasculaire constitué de xylème et de phloème. Au lieu de cela, ils peuvent posséder des tissus plus simples qui ont des fonctions spécialisées pour le transport interne de l'eau. Les plantes vasculaires, d'autre part, sont un grand groupe de plantes (environ 300 000 espèces connues acceptées) [161] qui sont définies comme des plantes terrestres avec des tissus lignifiés (le xylème) pour conduire l'eau et les minéraux dans toute la plante. [162] Ils ont également un tissu non lignifié spécialisé (le phloème) pour conduire les produits de la photosynthèse. Les plantes vasculaires comprennent les lycopodes, les prêles, les fougères, les gymnospermes (y compris les conifères) et les angiospermes (plantes à fleurs).

Les plantes à graines (ou spermatophytes) comprennent cinq divisions, dont quatre sont regroupées en gymnospermes et une en angiospermes. Les gymnospermes comprennent les conifères, les cycadales, Ginkgo, et les gnetophytes. Les graines de gymnosperme se développent soit à la surface d'écailles ou de feuilles, qui sont souvent modifiées pour former des cônes, soit solitaires comme dans l'if, Torreya, Ginkgo. [163] Les angiospermes sont le groupe le plus diversifié de plantes terrestres, avec 64 ordres, 416 familles, environ 13 000 genres connus et 300 000 espèces connues. [161] Comme les gymnospermes, les angiospermes sont des plantes productrices de graines. Ils se distinguent des gymnospermes par leurs caractéristiques telles que les fleurs, l'albumen dans leurs graines et la production de fruits contenant les graines.

Champignons

Les champignons sont des organismes eucaryotes qui comprennent des micro-organismes tels que des levures et des moisissures, ainsi que des champignons plus familiers. Une caractéristique qui place les champignons dans un royaume différent des plantes, des bactéries et de certains protistes est la chitine dans leurs parois cellulaires. Les champignons, comme les animaux, sont des hétérotrophes, ils acquièrent leur nourriture en absorbant des molécules dissoutes, généralement en sécrétant des enzymes digestives dans leur environnement. Les champignons ne font pas de photosynthèse. La croissance est leur moyen de mobilité, à l'exception des spores (dont quelques-unes sont flagellées), qui peuvent voyager dans l'air ou dans l'eau. Les champignons sont les principaux décomposeurs des systèmes écologiques. Ces différences et d'autres placent les champignons dans un seul groupe d'organismes apparentés, nommé le Eumycota (vrais champignons ou Eumycètes), qui partagent un ancêtre commun (d'un groupe monophylétique). Ce groupe fongique est distinct des myxomycètes structurellement similaires (moisissures visqueuses) et des oomycètes (moisissures aquatiques).

La plupart des champignons sont discrets en raison de la petite taille de leurs structures et de leur mode de vie cryptique dans le sol ou sur la matière morte. Les champignons comprennent des symbiotes de plantes, d'animaux ou d'autres champignons ainsi que des parasites. Ils peuvent devenir visibles lors de la fructification, sous forme de champignons ou de moisissures. Les champignons jouent un rôle essentiel dans la décomposition de la matière organique et ont des rôles fondamentaux dans le cycle et l'échange des nutriments dans l'environnement.

Le royaume des champignons englobe une énorme diversité de taxons avec des écologies, des stratégies de cycle de vie et des morphologies variées allant des chytrides aquatiques unicellulaires aux gros champignons. Cependant, on sait peu de choses sur la véritable biodiversité de Kingdom Fungi, qui a été estimée entre 2,2 millions et 3,8 millions d'espèces. [164] Parmi ceux-ci, seulement environ 148 000 ont été décrits, [165] avec plus de 8 000 espèces connues pour être nuisibles aux plantes et au moins 300 qui peuvent être pathogènes pour l'homme. [166]

Diversité animale

Les animaux sont des organismes eucaryotes multicellulaires qui forment le royaume Animalia. À quelques exceptions près, les animaux consomment de la matière organique, respirent de l'oxygène, sont capables de se déplacer, peuvent se reproduire sexuellement et se développer à partir d'une sphère creuse de cellules, la blastula, au cours du développement embryonnaire. Plus de 1,5 million d'espèces animales vivantes ont été décrites, dont environ 1 million d'insectes, mais on estime qu'il existe plus de 7 millions d'espèces animales au total. Ils ont des interactions complexes entre eux et avec leurs environnements, formant des réseaux trophiques complexes.

Les éponges, membres du phylum Porifera, sont un clade basal de métazoaires (animaux) en tant que sœur des diploblastes. [167] [168] [169] [170] [171] Ce sont des organismes multicellulaires qui ont des corps pleins de pores et de canaux permettant à l'eau de circuler à travers eux, constitués de mésohyl gélatineux pris en sandwich entre deux fines couches de cellules.

97%) des espèces animales sont des invertébrés, [172] qui sont des animaux qui ne possèdent ni ne développent une colonne vertébrale (communément appelée colonne vertébrale ou la colonne vertébrale), dérivé de la notocorde. Cela inclut tous les animaux à l'exception du sous-embranchement des Vertébrés. Des exemples familiers d'invertébrés comprennent les arthropodes (insectes, arachnides, crustacés et myriapodes), les mollusques (chitons, escargots, bivalves, calmars et poulpes), les annélides (vers de terre et sangsues) et les cnidaires (hydres, méduses et anémones de mer, ). De nombreux taxons d'invertébrés ont un plus grand nombre et une plus grande variété d'espèces que l'ensemble du sous-embranchement des Vertébrés. [173]

En revanche, les vertébrés comprennent toutes les espèces d'animaux du sous-embranchement Vertebrata (chordés avec épine dorsale). Les vertébrés représentent l'écrasante majorité du phylum Chordata, avec actuellement environ 69 963 espèces décrites. [174] Les vertébrés comprennent des groupes tels que les poissons sans mâchoire, les vertébrés à mâchoires tels que les poissons cartilagineux (requins, raies et ratfish), les poissons osseux, les tétrapodes tels que les amphibiens, les reptiles, les oiseaux et les mammifères.

Virus

Les virus sont des agents infectieux submicroscopiques qui se répliquent à l'intérieur des cellules vivantes des organismes. [175] Les virus infectent tous les types de formes de vie, des animaux et des plantes aux micro-organismes, y compris les bactéries et les archées. [176] [177] Plus de 6 000 espèces de virus ont été décrites en détail. [178] Les virus se trouvent dans presque tous les écosystèmes de la Terre et constituent le type d'entité biologique le plus nombreux. [179] [180]

Lorsqu'elle est infectée, une cellule hôte est forcée de produire rapidement des milliers de copies identiques du virus d'origine. Lorsqu'ils ne sont pas à l'intérieur d'une cellule infectée ou en train d'infecter une cellule, les virus existent sous forme de particules indépendantes, ou virions, constitué du matériel génétique (ADN ou ARN), une enveloppe protéique appelée capside, et dans certains cas une enveloppe extérieure de lipides. Les formes de ces particules virales vont de simples formes hélicoïdales et icosaédriques à des structures plus complexes. La plupart des espèces de virus ont des virions trop petits pour être vus au microscope optique, car ils ont un centième de la taille de la plupart des bactéries.

Les origines des virus dans l'histoire évolutive de la vie ne sont pas claires : certains peuvent avoir évolué à partir de plasmides - des morceaux d'ADN qui peuvent se déplacer entre les cellules - tandis que d'autres peuvent avoir évolué à partir de bactéries. Dans l'évolution, les virus sont un moyen important de transfert horizontal de gènes, ce qui augmente la diversité génétique d'une manière analogue à la reproduction sexuée. [181] Parce que les virus possèdent certaines mais pas toutes les caractéristiques de la vie, ils ont été décrits comme des « organismes à la limite de la vie », [182] et comme des auto-réplicateurs. [183]

Les virus peuvent se propager de plusieurs façons. Une voie de transmission passe par les organismes porteurs de maladies appelés vecteurs : par exemple, les virus sont souvent transmis d'une plante à l'autre par des insectes qui se nourrissent de la sève des plantes, comme les pucerons et les virus chez les animaux peuvent être transportés par des insectes hématophages. Les virus de la grippe se propagent par la toux et les éternuements. Les norovirus et les rotavirus, causes fréquentes de gastro-entérite virale, sont transmis par voie fécale-orale, transmis par contact main-bouche ou dans les aliments ou l'eau. Les infections virales chez les animaux provoquent une réponse immunitaire qui élimine généralement le virus infectieux. Des réponses immunitaires peuvent également être produites par des vaccins, qui confèrent une immunité acquise artificiellement à l'infection virale spécifique.

Forme et fonction de la plante

Corps végétal

Le corps de la plante est composé d'organes qui peuvent être organisés en deux grands systèmes d'organes : un système racinaire et un système de pousses. [184] Le système racinaire ancre les plantes en place. Les racines elles-mêmes absorbent l'eau et les minéraux et stockent les produits photosynthétiques. Le système de pousses est composé de tiges, de feuilles et de fleurs. Les tiges retiennent et orientent les feuilles vers le soleil, ce qui permet aux feuilles d'effectuer la photosynthèse. Les fleurs sont des pousses qui ont été modifiées pour la reproduction. Les pousses sont composées de phytomères, qui sont des unités fonctionnelles constituées d'un nœud portant une ou plusieurs feuilles, un entre-nœud et un ou plusieurs bourgeons.

Un corps végétal a deux modèles de base (axes apical-basal et radial) qui ont été établis au cours de l'embryogenèse. [184] Les cellules et les tissus sont disposés le long de l'axe apico-basal de la racine à la pousse, tandis que les trois systèmes tissulaires (dermiques, terrestres et vasculaires) qui composent le corps d'une plante sont disposés de manière concentrique autour de son axe radial. [184] Le système tissulaire dermique forme l'épiderme (ou revêtement extérieur) d'une plante, qui est généralement une couche cellulaire unique constituée de cellules qui se sont différenciées en trois structures spécialisées : les stomates pour les échanges gazeux dans les feuilles, les trichomes (ou les poils des feuilles ) pour la protection contre les insectes et le rayonnement solaire, et les poils absorbants pour augmenter les surfaces et l'absorption d'eau et de nutriments. Le tissu broyé constitue pratiquement tout le tissu qui se trouve entre les tissus dermiques et vasculaires dans les pousses et les racines. Il se compose de trois types de cellules : les cellules du parenchyme, du collenchyme et du sclérenchyme. Enfin, les tissus vasculaires sont constitués de deux tissus constitutifs : le xylème et le phloème. Le xylème est composé de deux cellules conductrices appelées trachéides et éléments vasculaires, tandis que le phloème est caractérisé par la présence d'éléments de tube criblé et de cellules compagnes. [184]

Nutrition et transport des plantes

Comme tous les autres organismes, les plantes sont principalement constituées d'eau et d'autres molécules contenant des éléments essentiels à la vie. [185] L'absence de nutriments spécifiques (ou d'éléments essentiels), dont beaucoup ont été identifiés dans des expériences hydroponiques, peut perturber la croissance et la reproduction des plantes. La majorité des plantes sont capables d'obtenir ces nutriments à partir de solutions qui entourent leurs racines dans le sol. [185] Le lessivage et la récolte continus des cultures peuvent épuiser le sol de ses nutriments, qui peuvent être restaurés avec l'utilisation d'engrais. Les plantes carnivores telles que les pièges à mouches de Vénus sont capables d'obtenir des nutriments en digérant d'autres arthropodes, tandis que les plantes parasites telles que le gui peuvent parasiter d'autres plantes pour l'eau et les nutriments.

Les plantes ont besoin d'eau pour effectuer la photosynthèse, transporter les solutés entre les organes, refroidir leurs feuilles par évaporation et maintenir les pressions internes qui soutiennent leur corps. [185] L'eau est capable de se diffuser dans et hors des cellules végétales par osmose. La direction du mouvement de l'eau à travers une membrane semi-perméable est déterminée par le potentiel hydrique à travers cette membrane. [185] L'eau est capable de diffuser à travers la membrane d'une cellule racinaire à travers les aquaporines, tandis que les solutés sont transportés à travers la membrane par des canaux ioniques et des pompes. Dans les plantes vasculaires, l'eau et les solutés peuvent pénétrer dans le xylème, un tissu vasculaire, par l'intermédiaire d'un apoplaste et d'un symplaste. Une fois dans le xylème, l'eau et les minéraux sont distribués vers le haut par transpiration du sol vers les parties aériennes de la plante.[162] [185] En revanche, le phloème, un autre tissu vasculaire, distribue les glucides (par exemple, le saccharose) et d'autres solutés tels que les hormones par translocation depuis une source (par exemple, une feuille ou une racine mature) dans laquelle ils ont été produits vers un puits (par exemple, racine, fleur ou fruit en développement) dans lequel ils seront utilisés et stockés. [185] Les sources et les puits peuvent changer de rôle, en fonction de la quantité de glucides accumulés ou mobilisés pour l'alimentation d'autres organes.

Développement des plantes

Le développement des plantes est régulé par des signaux environnementaux et par les récepteurs, les hormones et le génome de la plante. [186] De plus, ils ont plusieurs caractéristiques qui leur permettent d'obtenir des ressources pour la croissance et la reproduction telles que les méristèmes, la formation d'organes post-embryonnaires et la croissance différentielle.

Le développement commence par une graine, qui est une plante embryonnaire enfermée dans un revêtement extérieur protecteur. La plupart des graines de plantes sont généralement dormantes, une condition dans laquelle l'activité normale de la graine est suspendue. [186] La dormance des graines peut durer des semaines, des mois, des années et même des siècles. La dormance est rompue une fois que les conditions sont favorables à la croissance, et la graine commencera à germer, un processus appelé germination. L'imbibition est la première étape de la germination, par laquelle l'eau est absorbée par la graine. Une fois l'eau absorbée, la graine subit des changements métaboliques au cours desquels les enzymes sont activées et l'ARN et les protéines sont synthétisés. Une fois que la graine germe, elle obtient des glucides, des acides aminés et de petits lipides qui servent de blocs de construction à son développement. Ces monomères sont obtenus à partir de l'hydrolyse d'amidon, de protéines et de lipides qui sont stockés dans les cotylédons ou l'endosperme. La germination est terminée une fois que les racines embryonnaires appelées radicules ont émergé du tégument. À ce stade, la plante en développement est appelée plantule et sa croissance est régulée par ses propres protéines et hormones photoréceptrices. [186]

Contrairement aux animaux chez lesquels la croissance est déterminée, c'est-à-dire qu'elle cesse lorsque l'état adulte est atteint, la croissance des plantes est indéterminée car il s'agit d'un processus ouvert qui pourrait potentiellement durer toute la vie. [184] Les plantes poussent de deux manières : primaire et secondaire. Dans la croissance primaire, les pousses et les racines se forment et s'allongent. Le méristème apical produit le corps végétal primaire, qui peut être trouvé dans toutes les plantes à graines. Au cours de la croissance secondaire, l'épaisseur de la plante augmente à mesure que le méristème latéral produit le corps végétal secondaire, que l'on peut trouver dans les eudicots ligneux tels que les arbres et les arbustes. Les monocotylédones ne subissent pas de croissance secondaire. [184] Le corps végétal est généré par une hiérarchie de méristèmes. Les méristèmes apicaux des systèmes racinaires et des pousses donnent naissance aux méristèmes primaires (protoderme, méristème terrestre et procambium), qui à leur tour, donnent naissance aux trois systèmes tissulaires (dermique, terrestre et vasculaire).

Reproduction végétale

La plupart des angiospermes (ou plantes à fleurs) se livrent à la reproduction sexuée. [187] Leurs fleurs sont des organes qui facilitent la reproduction, généralement en fournissant un mécanisme pour l'union du sperme avec les ovules. Les fleurs peuvent faciliter deux types de pollinisation : l'autopollinisation et la pollinisation croisée. L'autopollinisation se produit lorsque le pollen de l'anthère est déposé sur le stigmate de la même fleur, ou d'une autre fleur sur la même plante. La pollinisation croisée est le transfert de pollen de l'anthère d'une fleur au stigmate d'une autre fleur sur un individu différent de la même espèce. L'autopollinisation s'est produite dans les fleurs où l'étamine et le carpelle mûrissent en même temps et sont positionnés de manière à ce que le pollen puisse atterrir sur le stigmate de la fleur. Cette pollinisation ne nécessite pas d'investissement de la part de la plante pour fournir du nectar et du pollen comme nourriture aux pollinisateurs. [188]

Réponses des plantes

Comme les animaux, les plantes produisent des hormones dans une partie de leur corps pour signaler aux cellules d'une autre partie de réagir. La maturation des fruits et la perte des feuilles en hiver sont contrôlées en partie par la production du gaz éthylène par la plante. Le stress dû à la perte d'eau, aux changements dans la chimie de l'air ou à l'entassement d'autres plantes peut entraîner des changements dans le fonctionnement d'une plante. Ces changements peuvent être affectés par des facteurs génétiques, chimiques et physiques.

Pour fonctionner et survivre, les plantes produisent un large éventail de composés chimiques que l'on ne trouve pas dans d'autres organismes. Parce qu'elles ne peuvent pas se déplacer, les plantes doivent également se défendre chimiquement contre les herbivores, les agents pathogènes et la concurrence d'autres plantes. Ils le font en produisant des toxines et des produits chimiques nauséabonds ou odorants. D'autres composés défendent les plantes contre les maladies, permettent la survie en cas de sécheresse et préparent les plantes à la dormance, tandis que d'autres composés sont utilisés pour attirer les pollinisateurs ou les herbivores afin de répandre des graines mûres.

De nombreux organes végétaux contiennent différents types de protéines photoréceptrices, dont chacune réagit très spécifiquement à certaines longueurs d'onde de la lumière. [189] Les protéines photoréceptrices relaient des informations telles que le jour ou la nuit, la durée de la journée, l'intensité de la lumière disponible et la source de lumière. Les pousses poussent généralement vers la lumière, tandis que les racines s'en éloignent, des réponses appelées respectivement phototropisme et skototropisme. Ils sont provoqués par des pigments sensibles à la lumière comme les phototropines et les phytochromes et l'auxine, une hormone végétale. [190] De nombreuses plantes à fleurs fleurissent au moment opportun en raison de composés sensibles à la lumière qui réagissent à la durée de la nuit, un phénomène connu sous le nom de photopériodisme.

En plus de la lumière, les plantes peuvent répondre à d'autres types de stimuli. Par exemple, les plantes peuvent sentir la direction de la gravité pour s'orienter correctement. Ils peuvent répondre à une stimulation mécanique. [191]

Forme et fonction animales

Des principes

Les cellules de chaque corps animal baignent dans le liquide interstitiel qui constitue l'environnement de la cellule. Ce fluide et toutes ses caractéristiques (par exemple, la température, la composition ionique) peuvent être décrits comme l'environnement interne de l'animal, qui contraste avec l'environnement externe qui englobe le monde extérieur de l'animal. [192] Les animaux peuvent être classés en tant que régulateurs ou conformères. Les animaux tels que les mammifères et les oiseaux sont des régulateurs car ils sont capables de maintenir un environnement interne constant tel que la température corporelle malgré les changements de leur environnement. Ces animaux sont également décrits comme des homéothermes car ils présentent une thermorégulation en maintenant leur température corporelle interne constante. En revanche, les animaux tels que les poissons et les grenouilles sont des conformistes car ils adaptent leur environnement interne (par exemple, la température corporelle) pour correspondre à leurs environnements externes. Ces animaux sont également décrits comme des poïkilothermes ou des ectothermes car ils permettent à la température de leur corps de correspondre à leur environnement extérieur. En termes d'énergie, la régulation est plus coûteuse que la conformité car un animal développe plus d'énergie pour maintenir un environnement interne constant, par exemple en augmentant son taux métabolique de base, qui est le taux de consommation d'énergie. [192] De même, l'homéothermie est plus coûteuse que la poïkilothermie. L'homéostasie est la stabilité de l'environnement interne d'un animal, qui est maintenue par des boucles de rétroaction négatives. [192] [193]

La taille corporelle des animaux terrestres varie selon les espèces, mais leur utilisation de l'énergie n'évolue pas de manière linéaire en fonction de leur taille. [192] Les souris, par exemple, sont capables de consommer trois fois plus de nourriture que les lapins proportionnellement à leur poids, car le métabolisme de base par unité de poids chez les souris est supérieur à celui des lapins. [192] L'activité physique peut également augmenter le taux métabolique d'un animal. Lorsqu'un animal court, son taux métabolique augmente linéairement avec la vitesse. [192] Cependant, la relation n'est pas linéaire chez les animaux qui nagent ou volent. Lorsqu'un poisson nage plus vite, il rencontre une plus grande résistance à l'eau et donc ses taux métaboliques augmentent de façon exponentielle. [192] Alternativement, la relation entre les vitesses de vol et les taux métaboliques est en forme de U chez les oiseaux. [192] À basse vitesse de vol, un oiseau doit maintenir un taux métabolique élevé pour rester en suspension dans l'air. Au fur et à mesure qu'il accélère son vol, son taux métabolique diminue à l'aide de l'air qui s'écoule rapidement sur ses ailes. Cependant, à mesure qu'il augmente encore plus sa vitesse, ses taux métaboliques élevés augmentent à nouveau en raison de l'effort accru associé aux vitesses de vol rapides. Les taux métaboliques basaux peuvent être mesurés en fonction du taux de production de chaleur d'un animal.

Équilibre eau et sel

Les fluides corporels d'un animal ont trois propriétés : la pression osmotique, la composition ionique et le volume. [194] Les pressions osmotiques déterminent la direction de la diffusion de l'eau (ou osmose), qui se déplace d'une région où la pression osmotique (concentration totale de soluté) est faible vers une région où la pression osmotique (concentration totale de soluté) est élevée. Les animaux aquatiques sont divers en ce qui concerne leurs compositions de fluides corporels et leurs environnements. Par exemple, la plupart des animaux invertébrés de l'océan ont des fluides corporels isosmotiques avec l'eau de mer. En revanche, les poissons osseux océaniques ont des fluides corporels hyposmotiques pour l'eau de mer. Enfin, les animaux d'eau douce ont des fluides corporels hyperosmotiques à l'eau douce. Les ions typiques que l'on peut trouver dans les fluides corporels d'un animal sont le sodium, le potassium, le calcium et le chlorure. Le volume des fluides corporels peut être régulé par l'excrétion. Les animaux vertébrés ont des reins, qui sont des organes excréteurs constitués de minuscules structures tubulaires appelées néphrons, qui fabriquent l'urine à partir du plasma sanguin. La fonction principale des reins est de réguler la composition et le volume du plasma sanguin en éliminant sélectivement la matière du plasma sanguin lui-même. La capacité des animaux xériques tels que les rats kangourous à minimiser les pertes d'eau en produisant une urine 10 à 20 fois plus concentrée que leur plasma sanguin leur permet de s'adapter aux environnements désertiques qui reçoivent très peu de précipitations. [194]

Alimentation et digestion

Les animaux sont hétérotrophes car ils se nourrissent d'autres organismes vivants pour obtenir de l'énergie et des composés organiques. [195] Ils sont capables d'obtenir de la nourriture de trois manières principales, telles que le ciblage d'objets alimentaires visibles, la collecte de minuscules particules de nourriture ou la dépendance des microbes pour les besoins alimentaires critiques. La quantité d'énergie stockée dans les aliments peut être quantifiée en fonction de la quantité de chaleur (mesurée en calories ou en kilojoules) émise lorsque les aliments sont brûlés en présence d'oxygène. Si un animal consommait des aliments contenant une quantité excessive d'énergie chimique, il stockerait la majeure partie de cette énergie sous forme de lipides pour une utilisation future et une partie de cette énergie sous forme de glycogène pour une utilisation plus immédiate (par exemple, pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau ). [195] Les molécules présentes dans les aliments sont des éléments constitutifs chimiques nécessaires à la croissance et au développement. Ces molécules comprennent des nutriments tels que des glucides, des graisses et des protéines. Les vitamines et les minéraux (par exemple, le calcium, le magnésium, le sodium et le phosphore) sont également essentiels. Le système digestif, qui consiste généralement en un tube tubulaire qui s'étend de la bouche à l'anus, est impliqué dans la décomposition (ou la digestion) des aliments en petites molécules lorsqu'ils descendent de manière péristaltique à travers la lumière intestinale peu de temps après leur ingestion. Ces petites molécules alimentaires sont ensuite absorbées dans le sang à partir de la lumière, où elles sont ensuite distribuées au reste du corps sous forme de blocs de construction (par exemple, les acides aminés) ou de sources d'énergie (par exemple, le glucose). [195]

En plus de leur tube digestif, les animaux vertébrés ont des glandes accessoires telles qu'un foie et un pancréas dans leur système digestif. [195] Le traitement des aliments chez ces animaux commence dans l'intestin antérieur, qui comprend la bouche, l'œsophage et l'estomac. La digestion mécanique des aliments commence dans la bouche, l'œsophage servant de passage pour que les aliments atteignent l'estomac, où ils sont stockés et désintégrés (par l'acide gastrique) pour un traitement ultérieur. En quittant l'estomac, la nourriture pénètre dans l'intestin moyen, qui est la première partie de l'intestin (ou intestin grêle chez les mammifères) et est le principal site de digestion et d'absorption. Les aliments qui ne sont pas absorbés sont stockés sous forme de déchets non digestibles (ou fèces) dans l'intestin postérieur, qui est la deuxième partie de l'intestin (ou gros intestin chez les mammifères). L'intestin postérieur termine ensuite la réabsorption de l'eau et du sel nécessaires avant d'éliminer les matières fécales du rectum. [195]

Respiration

Le système respiratoire se compose d'organes et de structures spécifiques utilisés pour les échanges gazeux chez les animaux et les plantes. L'anatomie et la physiologie qui rendent cela possible varient considérablement, selon la taille de l'organisme, l'environnement dans lequel il vit et son histoire évolutive. Chez les animaux terrestres, la surface respiratoire est internalisée sous forme de revêtements pulmonaires. [196] Les échanges gazeux dans les poumons se produisent dans des millions de petits sacs aériens chez les mammifères et les reptiles, appelés alvéoles, et chez les oiseaux, ils sont appelés oreillettes. Ces sacs aériens microscopiques ont un apport sanguin très riche, amenant ainsi l'air en contact étroit avec le sang. [197] Ces sacs aériens communiquent avec l'environnement extérieur via un système de voies aériennes, ou tubes creux, dont le plus gros est la trachée, qui se ramifie au milieu du thorax dans les deux bronches principales. Ceux-ci pénètrent dans les poumons où ils se ramifient en bronches secondaires et tertiaires de plus en plus étroites qui se ramifient en de nombreux tubes plus petits, les bronchioles. Chez les oiseaux, les bronchioles sont appelées parabronches. Ce sont les bronchioles, ou parabronches, qui s'ouvrent généralement dans les alvéoles microscopiques chez les mammifères et les oreillettes chez les oiseaux. L'air doit être pompé de l'environnement dans les alvéoles ou les oreillettes par le processus de respiration qui implique les muscles respiratoires.

Circulation

Un système circulatoire se compose généralement d'une pompe musculaire telle qu'un cœur, un liquide (sang) et un système de vaisseaux sanguins qui le délivrent. [198] [199] Sa fonction principale est de transporter le sang et d'autres substances vers et depuis les cellules (biologie) et les tissus. Il existe deux types de systèmes circulatoires : ouvert et fermé. Dans les systèmes circulatoires ouverts, le sang sort des vaisseaux sanguins lorsqu'il circule dans tout le corps, tandis que dans le système circulatoire fermé, le sang est contenu dans les vaisseaux sanguins lorsqu'il circule. Les systèmes circulatoires ouverts peuvent être observés chez les animaux invertébrés tels que les arthropodes (par exemple, les insectes, les araignées et les homards), tandis que les systèmes circulatoires fermés peuvent être trouvés chez les animaux vertébrés tels que les poissons, les amphibiens et les mammifères. La circulation chez les animaux se produit entre deux types de tissus : les tissus systémiques et les organes respiratoires (ou pulmonaires). [198] Les tissus systémiques sont tous les tissus et organes qui composent le corps d'un animal autres que ses organes respiratoires. Les tissus systémiques absorbent de l'oxygène mais ajoutent du dioxyde de carbone au sang, tandis qu'un organe respiratoire absorbe du dioxyde de carbone mais ajoute de l'oxygène au sang. [200] Chez les oiseaux et les mammifères, les systèmes systémique et pulmonaire sont connectés en série.

Dans le système circulatoire, le sang est important car c'est le moyen par lequel l'oxygène, le dioxyde de carbone, les nutriments, les hormones, les agents du système immunitaire, la chaleur, les déchets et d'autres produits sont transportés. [198] Chez les annélides tels que les vers de terre et les sangsues, le sang est propulsé par des vagues péristaltiques de contractions des muscles cardiaques qui composent les vaisseaux sanguins. D'autres animaux tels que les crustacés (par exemple, les écrevisses et les homards), ont plus d'un cœur pour propulser le sang dans tout leur corps. Les cœurs des vertébrés ont plusieurs chambres et sont capables de pomper le sang lorsque leurs ventricules se contractent à chaque cycle cardiaque, ce qui propulse le sang dans les vaisseaux sanguins. [198] Bien que les cœurs des vertébrés soient myogènes, leur taux de contraction (ou fréquence cardiaque) peut être modulé par l'apport neuronal du système nerveux autonome du corps.

Muscle et mouvement

Chez les vertébrés, le système musculaire est constitué des muscles squelettiques, lisses et cardiaques. Il permet le mouvement du corps, maintient la posture et fait circuler le sang dans tout le corps. [201] Avec le système squelettique, il forme le système musculo-squelettique, qui est responsable du mouvement des animaux vertébrés. [202] Les contractions des muscles squelettiques sont neurogènes car elles nécessitent une entrée synaptique des motoneurones. Un seul motoneurone est capable d'innerver plusieurs fibres musculaires, provoquant ainsi la contraction simultanée des fibres. Une fois innervés, les filaments protéiques à l'intérieur de chaque fibre musculaire squelettique glissent les uns sur les autres pour produire une contraction, ce qui s'explique par la théorie des filaments glissants. La contraction produite peut être décrite comme une secousse, une sommation ou un tétanos, selon la fréquence des potentiels d'action. Contrairement aux muscles squelettiques, les contractions des muscles lisses et cardiaques sont myogènes car elles sont initiées par les cellules musculaires lisses ou cardiaques elles-mêmes au lieu d'un motoneurone. Néanmoins, la force de leurs contractions peut être modulée par l'apport du système nerveux autonome. Les mécanismes de contraction sont similaires dans les trois tissus musculaires.

Chez les invertébrés tels que les vers de terre et les sangsues, les cellules musculaires circulaires et longitudinales forment la paroi corporelle de ces animaux et sont responsables de leur mouvement. [203] Chez un ver de terre qui se déplace dans un sol, par exemple, les contractions des muscles circulaires et longitudinaux se produisent réciproquement tandis que le fluide cœlomique sert d'hydrosquelette en maintenant la turgescence du ver de terre. [204] D'autres animaux tels que les mollusques et les nématodes possèdent des muscles striés obliquement, qui contiennent des bandes de filaments épais et minces disposés en hélice plutôt que transversalement, comme dans les muscles squelettiques ou cardiaques des vertébrés. [205] Les insectes avancés tels que les guêpes, les mouches, les abeilles et les coléoptères possèdent des muscles asynchrones qui constituent les muscles du vol chez ces animaux. [205] Ces muscles de vol sont souvent appelés muscles fibrillaires car ils contiennent des myofibrilles épaisses et visibles. [206]

Système nerveux

Le système nerveux est un réseau de cellules qui traite les informations sensorielles et génère des comportements. Au niveau cellulaire, le système nerveux est défini par la présence de neurones, qui sont des cellules spécialisées dans le traitement de l'information. [208] Ils peuvent transmettre ou recevoir des informations sur des sites de contacts appelés synapses. [208] Plus précisément, les neurones peuvent conduire des impulsions nerveuses (ou potentiels d'action) qui se déplacent le long de leurs fibres minces appelées axones, qui peuvent ensuite être transmises directement à une cellule voisine par le biais de synapses électriques ou provoquer la libération de substances chimiques appelées neurotransmetteurs au niveau des synapses chimiques. Selon la théorie du sodium, ces potentiels d'action peuvent être générés par la perméabilité accrue de la membrane cellulaire du neurone aux ions sodium. [209] Des cellules telles que des neurones ou des cellules musculaires peuvent être excitées ou inhibées lors de la réception d'un signal d'un autre neurone. Les connexions entre les neurones peuvent former des voies neuronales, des circuits neuronaux et des réseaux plus vastes qui génèrent la perception du monde par un organisme et déterminent son comportement. Outre les neurones, le système nerveux contient d'autres cellules spécialisées appelées cellules gliales ou cellules gliales, qui fournissent un soutien structurel et métabolique.

Les systèmes nerveux se trouvent chez la plupart des animaux multicellulaires, mais leur complexité varie considérablement.[210] Chez les vertébrés, le système nerveux se compose du système nerveux central (SNC), qui comprend le cerveau et la moelle épinière, et du système nerveux périphérique (SNP), qui se compose des nerfs qui relient le SNC à toutes les autres parties du corps. Les nerfs qui transmettent les signaux du SNC sont appelés nerfs moteurs ou nerfs efférents, tandis que les nerfs qui transmettent les informations du corps au SNC sont appelés nerfs sensoriels ou nerfs afférents. Les nerfs rachidiens sont des nerfs mixtes qui remplissent les deux fonctions. Le SNP est divisé en trois sous-systèmes distincts, les systèmes nerveux somatique, autonome et entérique. Les nerfs somatiques sont les médiateurs des mouvements volontaires. Le système nerveux autonome est subdivisé en systèmes nerveux sympathique et parasympathique. Le système nerveux sympathique est activé en cas d'urgence pour mobiliser l'énergie, tandis que le système nerveux parasympathique est activé lorsque les organismes sont dans un état de relaxation. Le système nerveux entérique fonctionne pour contrôler le système gastro-intestinal. Les systèmes nerveux autonome et entérique fonctionnent tous deux de manière involontaire. Les nerfs qui sortent directement du cerveau sont appelés nerfs crâniens, tandis que ceux qui sortent de la moelle épinière sont appelés nerfs spinaux.

De nombreux animaux ont des organes sensoriels capables de détecter leur environnement. Ces organes sensoriels contiennent des récepteurs sensoriels, qui sont des neurones sensoriels qui convertissent les stimuli en signaux électriques. [211] Les mécanorécepteurs, par exemple, qui peuvent être trouvés dans la peau, les muscles et les organes auditifs, génèrent des potentiels d'action en réponse aux changements de pression. [211] [212] Les cellules photoréceptrices telles que les bâtonnets et les cônes, qui font partie de la rétine des vertébrés, peuvent répondre à des longueurs d'onde de lumière spécifiques. [211] [212] Les chimiorécepteurs détectent les produits chimiques dans la bouche (goût) ou dans l'air (odeur). [212]

Contrôle hormonal

Les hormones sont des molécules de signalisation transportées dans le sang vers des organes distants pour réguler leur fonction. [213] [214] Les hormones sont sécrétées par des glandes internes qui font partie du système endocrinien d'un animal. Chez les vertébrés, l'hypothalamus est le centre de contrôle neural de tous les systèmes endocriniens. Chez l'homme en particulier, les principales glandes endocrines sont la glande thyroïde et les glandes surrénales. De nombreux autres organes qui font partie d'autres systèmes corporels ont des fonctions endocriniennes secondaires, notamment les os, les reins, le foie, le cœur et les gonades. Par exemple, les reins sécrètent l'érythropoïétine, une hormone endocrine. Les hormones peuvent être des complexes d'acides aminés, des stéroïdes, des eicosanoïdes, des leucotriènes ou des prostaglandines. [215] Le système endocrinien peut être comparé à la fois aux glandes exocrines, qui sécrètent des hormones à l'extérieur du corps, et à la signalisation paracrine entre les cellules sur une distance relativement courte. Les glandes endocrines n'ont pas de canaux, sont vasculaires et ont généralement des vacuoles ou des granules intracellulaires qui stockent leurs hormones. En revanche, les glandes exocrines, telles que les glandes salivaires, les glandes sudoripares et les glandes du tractus gastro-intestinal, ont tendance à être beaucoup moins vasculaires et à avoir des canaux ou une lumière creuse.

Reproduction animale

Les animaux peuvent se reproduire de deux manières : asexuée et sexuée. Presque tous les animaux se livrent à une certaine forme de reproduction sexuée. [216] Ils produisent des gamètes haploïdes par méiose. Les gamètes plus petits et mobiles sont des spermatozoïdes et les plus gros gamètes immobiles sont des ovules. [217] Ceux-ci fusionnent pour former des zygotes, [218] qui se développent par mitose en une sphère creuse, appelée blastula. Chez les éponges, les larves de blastula nagent vers un nouvel emplacement, s'attachent au fond marin et se développent en une nouvelle éponge. [219] Dans la plupart des autres groupes, la blastula subit un réarrangement plus compliqué. [220] Il s'invagine d'abord pour former une gastrula avec une chambre digestive et deux couches germinales distinctes, un ectoderme externe et un endoderme interne. [221] Dans la plupart des cas, une troisième couche germinale, le mésoderme, se développe également entre eux. [222] Ces couches germinales se différencient ensuite pour former des tissus et des organes. [223] Certains animaux sont capables de reproduction asexuée, ce qui aboutit souvent à un clone génétique du parent. Cela peut se produire par bourgeonnement par fragmentation, comme dans Hydre et d'autres cnidaires ou parthénogenèse, où des œufs fertiles sont produits sans accouplement, comme chez les pucerons. [224] [225]

Développement animal

Le développement animal commence par la formation d'un zygote qui résulte de la fusion d'un spermatozoïde et d'un ovule lors de la fécondation. [226] Le zygote subit de multiples cycles rapides de période cellulaire mitotique de divisions cellulaires appelées clivage, qui forme une boule de cellules similaires appelée blastula. La gastrulation se produit, par laquelle les mouvements morphogénétiques convertissent la masse cellulaire en trois couches germinales qui comprennent l'ectoderme, le mésoderme et l'endoderme.

La fin de la gastrulation signale le début de l'organogenèse, où les trois couches germinales forment les organes internes de l'organisme. [227] Les cellules de chacune des trois couches germinales subissent une différenciation, un processus où les cellules moins spécialisées deviennent plus spécialisées grâce à l'expression d'un ensemble spécifique de gènes. La différenciation cellulaire est influencée par des signaux extracellulaires tels que des facteurs de croissance qui sont échangés avec des cellules adjacentes, appelée signalisation juxtracrine, ou vers des cellules voisines sur de courtes distances, appelée signalisation paracrine. [228] [229] Les signaux intracellulaires consistent en une signalisation cellulaire elle-même (signalisation autocrine), jouent également un rôle dans la formation des organes. Ces voies de signalisation permettent le réarrangement cellulaire et garantissent la formation d'organes à des sites spécifiques de l'organisme. [227] [230]

Système immunitaire

Le système immunitaire est un réseau de processus biologiques qui détecte et réagit à une grande variété d'agents pathogènes. De nombreuses espèces ont deux sous-systèmes principaux du système immunitaire. Le système immunitaire inné fournit une réponse préconfigurée à de larges groupes de situations et de stimuli. Le système immunitaire adaptatif fournit une réponse adaptée à chaque stimulus en apprenant à reconnaître les molécules qu'il a déjà rencontrées. Les deux utilisent des molécules et des cellules pour remplir leurs fonctions.

Presque tous les organismes ont une sorte de système immunitaire. Les bactéries ont un système immunitaire rudimentaire sous la forme d'enzymes qui protègent contre les infections virales. D'autres mécanismes immunitaires de base ont évolué dans les plantes et les animaux anciens et restent dans leurs descendants modernes. Ces mécanismes comprennent la phagocytose, les peptides antimicrobiens appelés défensines et le système du complément. Les vertébrés à mâchoires, y compris les humains, ont des mécanismes de défense encore plus sophistiqués, notamment la capacité de s'adapter pour reconnaître plus efficacement les agents pathogènes. L'immunité adaptative (ou acquise) crée une mémoire immunologique conduisant à une réponse améliorée aux rencontres ultérieures avec ce même agent pathogène. Ce processus d'immunité acquise est à la base de la vaccination.

Comportement animal

Les comportements jouent un rôle central dans l'interaction des animaux entre eux et avec leur environnement. [231] Ils sont capables d'utiliser leurs muscles pour s'approcher, vocaliser, chercher un abri et migrer. Le système nerveux d'un animal active et coordonne ses comportements. Les modèles d'action fixes, par exemple, sont des comportements génétiquement déterminés et stéréotypés qui se produisent sans apprentissage. [231] [232] Ces comportements sont sous le contrôle du système nerveux et peuvent être assez élaborés. [231] Les exemples incluent le picage des poussins de goélands kelp au point rouge sur le bec de leur mère. D'autres comportements qui ont émergé à la suite de la sélection naturelle comprennent la recherche de nourriture, l'accouplement et l'altruisme. [233] En plus du comportement évolué, les animaux ont développé la capacité d'apprendre en modifiant leurs comportements à la suite d'expériences individuelles précoces. [231]

Écologie

Écosystèmes

L'écologie est l'étude de la répartition et de l'abondance des organismes vivants, de l'interaction entre eux et leur environnement. [234] La communauté d'organismes vivants (biotiques) en conjonction avec les composants non vivants (abiotiques) (par exemple, l'eau, la lumière, le rayonnement, la température, l'humidité, l'atmosphère, l'acidité et le sol) de leur environnement est appelée un écosystème. [235] [236] [237] Ces composants biotiques et abiotiques sont liés entre eux par des cycles de nutriments et des flux d'énergie. [238] L'énergie du soleil pénètre dans le système par photosynthèse et est incorporée dans les tissus végétaux. En se nourrissant de plantes et les uns des autres, les animaux jouent un rôle important dans le mouvement de la matière et de l'énergie à travers le système. Ils influencent également la quantité de biomasse végétale et microbienne présente. En décomposant la matière organique morte, les décomposeurs libèrent du carbone dans l'atmosphère et facilitent le cycle des nutriments en reconvertissant les nutriments stockés dans la biomasse morte en une forme qui peut être facilement utilisée par les plantes et autres microbes. [239]

L'environnement physique de la Terre est façonné par l'énergie solaire et la topographie. [237] La ​​quantité d'énergie solaire fournie varie dans l'espace et dans le temps en raison de la forme sphérique de la Terre et de son inclinaison axiale. La variation de l'apport d'énergie solaire détermine les modèles météorologiques et climatiques. Le temps est la température et l'activité des précipitations au jour le jour, tandis que le climat est la moyenne à long terme du temps, généralement moyennée sur une période de 30 ans. [240] [241] La variation de la topographie produit également une hétérogénéité environnementale. Du côté au vent d'une montagne, par exemple, l'air monte et se refroidit, l'eau passant de la forme gazeuse à la forme liquide ou solide, ce qui entraîne des précipitations telles que la pluie ou la neige. [237] En conséquence, les environnements humides permettent la croissance d'une végétation luxuriante. En revanche, les conditions ont tendance à être sèches du côté sous le vent d'une montagne en raison du manque de précipitations lorsque l'air descend et se réchauffe, et l'humidité reste sous forme de vapeur d'eau dans l'atmosphère. La température et les précipitations sont les principaux facteurs qui façonnent les biomes terrestres.

Populations

Une population est le nombre d'organismes de la même espèce qui occupent une zone et se reproduisent de génération en génération. [242] [243] [244] [245] [246] Son abondance peut être mesurée en utilisant la densité de population, qui est le nombre d'individus par unité de surface (par exemple, terre ou arbre) ou de volume (par exemple, mer ou air). [242] Étant donné qu'il est généralement peu pratique de compter chaque individu au sein d'une grande population pour déterminer sa taille, la taille de la population peut être estimée en multipliant la densité de population par la superficie ou le volume. La croissance de la population au cours d'intervalles à court terme peut être déterminée à l'aide de l'équation du taux de croissance de la population, qui prend en compte les taux de natalité, de décès et d'immigration. À plus long terme, la croissance exponentielle d'une population a tendance à ralentir lorsqu'elle atteint sa capacité de charge, qui peut être modélisée à l'aide de l'équation logistique. [243] La capacité de charge d'un environnement est la taille maximale de la population d'une espèce qui peut être maintenue par cet environnement spécifique, compte tenu de la nourriture, de l'habitat, de l'eau et des autres ressources disponibles. [247] La ​​capacité de charge d'une population peut être affectée par des conditions environnementales changeantes telles que des changements dans la disponibilité des ressources et le coût de leur entretien. Dans les populations humaines, les nouvelles technologies telles que la révolution verte ont contribué à augmenter la capacité de charge de la Terre pour les humains au fil du temps, ce qui a contrecarré les tentatives de prédiction d'un déclin démographique imminent, dont la célèbre a été celle de Thomas Malthus au XVIIIe siècle. [242]

Communautés

Une communauté est un groupe de populations de deux ou plusieurs espèces différentes occupant la même zone géographique en même temps. Une interaction biologique est l'effet qu'une paire d'organismes vivant ensemble dans une communauté ont les uns sur les autres. Ils peuvent être soit de la même espèce (interactions intraspécifiques), soit d'espèces différentes (interactions interspécifiques). Ces effets peuvent être à court terme, comme la pollinisation et la prédation, ou à long terme, les deux influencent souvent fortement l'évolution des espèces impliquées. Une interaction à long terme s'appelle une symbiose. Les symbioses vont du mutualisme, bénéfique pour les deux partenaires, à la concurrence, nuisible aux deux partenaires. [249]

Chaque espèce participe en tant que consommateur, ressource ou les deux aux interactions consommateur-ressource, qui forment le noyau des chaînes alimentaires ou des réseaux trophiques. [250] Il existe différents niveaux trophiques au sein de tout réseau trophique, le niveau le plus bas étant les producteurs primaires (ou autotrophes) tels que les plantes et les algues qui convertissent l'énergie et les matières inorganiques en composés organiques, qui peuvent ensuite être utilisés par le reste de la population. communauté. [54] [251] [252] Au niveau suivant se trouvent les hétérotrophes, qui sont les espèces qui obtiennent de l'énergie en séparant les composés organiques d'autres organismes. [250] Les hétérotrophes qui consomment des plantes sont des consommateurs primaires (ou herbivores) alors que les hétérotrophes qui consomment des herbivores sont des consommateurs secondaires (ou carnivores). Et ceux qui mangent des consommateurs secondaires sont des consommateurs tertiaires et ainsi de suite. Les hétérotrophes omnivores sont capables de consommer à plusieurs niveaux. Enfin, il existe des décomposeurs qui se nourrissent des déchets ou des cadavres d'organismes. [250]

En moyenne, la quantité totale d'énergie incorporée dans la biomasse d'un niveau trophique par unité de temps est d'environ un dixième de l'énergie du niveau trophique qu'elle consomme. Les déchets et les matières mortes utilisés par les décomposeurs ainsi que la chaleur perdue par le métabolisme constituent les quatre-vingt-dix pour cent restants de l'énergie qui n'est pas consommée par le niveau trophique suivant. [253]

Biosphère

Dans l'écosystème global (ou biosphère), la matière existe sous forme de différents compartiments en interaction, qui peuvent être biotiques ou abiotiques ainsi qu'accessibles ou inaccessibles, selon leurs formes et leurs emplacements. [255] Par exemple, la matière des autotrophes terrestres est à la fois biotique et accessible aux autres organismes vivants, tandis que la matière des roches et des minéraux est abiotique et inaccessible aux organismes vivants. Un cycle biogéochimique est une voie par laquelle des éléments spécifiques de la matière sont retournés ou déplacés à travers les compartiments biotique (biosphère) et abiotique (lithosphère, atmosphère et hydrosphère) de la Terre. Il existe des cycles biogéochimiques pour l'azote, le carbone et l'eau. Dans certains cycles, il y a réservoirs lorsqu'une substance reste ou est séquestrée pendant une longue période.

Le changement climatique comprend à la fois le réchauffement climatique induit par les émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine et les changements à grande échelle qui en résultent dans les régimes météorologiques. Bien qu'il y ait eu des périodes précédentes de changement climatique, depuis le milieu du 20e siècle, les humains ont eu un impact sans précédent sur le système climatique de la Terre et ont provoqué des changements à l'échelle mondiale. [256] Le principal facteur de réchauffement est l'émission de gaz à effet de serre, dont plus de 90 % sont du dioxyde de carbone et du méthane. [257] La ​​combustion de combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel) pour la consommation d'énergie est la principale source de ces émissions, avec des contributions supplémentaires de l'agriculture, de la déforestation et de la fabrication. [258] L'augmentation de la température est accélérée ou tempérée par les rétroactions climatiques, telles que la perte de la couverture de neige et de glace réfléchissant la lumière du soleil, l'augmentation de la vapeur d'eau (un gaz à effet de serre lui-même) et les modifications des puits de carbone terrestres et océaniques.

Préservation

La biologie de la conservation est l'étude de la conservation de la biodiversité de la Terre dans le but de protéger les espèces, leurs habitats et les écosystèmes contre des taux d'extinction excessifs et l'érosion des interactions biotiques. [259] [260] [261] Il s'intéresse aux facteurs qui influencent le maintien, la perte et la restauration de la biodiversité et la science du maintien des processus évolutifs qui engendrent la diversité génétique, des populations, des espèces et des écosystèmes. [262] [263] [264] [265] L'inquiétude provient d'estimations suggérant que jusqu'à 50 % de toutes les espèces de la planète disparaîtront au cours des 50 prochaines années, [266] ce qui a contribué à la pauvreté, à la famine et réinitialiser le cours de l'évolution sur cette planète. [267] [268] La biodiversité affecte le fonctionnement des écosystèmes, qui fournissent une variété de services dont dépendent les gens.

Les biologistes de la conservation effectuent des recherches et informent sur les tendances de la perte de biodiversité, les extinctions d'espèces et l'effet négatif que celles-ci ont sur nos capacités à maintenir le bien-être de la société humaine. Les organisations et les citoyens répondent à la crise actuelle de la biodiversité par le biais de plans d'action de conservation qui orientent des programmes de recherche, de surveillance et d'éducation qui engagent les préoccupations à l'échelle locale et mondiale. [269] [262] [263] [264]


Fission binaire

Fission binaire Définition
Fission binaire est le processus par lequel la reproduction asexuée se produit chez les bactéries. Pendant fission binaire, un seul organisme devient deux organismes indépendants.

Fission binaireest une forme de division cellulaire utilisée dans la reproduction asexuée des procaryotes. C'est beaucoup plus simple que la mitose, consistant en la réplication de l'ADN et la cytokinèse.
division cellulaire bactérienne procaryote fission binaire reproduction de l'adn.

Les archées, les bactéries et les protistes se reproduisent de manière asexuée en fission binaire. Le processus commence par la réplication du matériel génétique, suivie de la ségrégation des chromosomes puis de la cytokinèse.
Voir aussi : reproduction asexuée
Extrait de "" .

Par rapport à la mitose : similitudes et différences
Bactériophages : des virus qui chassent les bactéries
Découvrez le virus qui infecte les bactéries.

ET MITOSE
Table des matières
Malgré les différences entre les procaryotes et les eucaryotes, il existe plusieurs caractéristiques communes dans leurs processus de division cellulaire. La réplication de l'ADN doit se produire. La ségrégation de "l'original" et de sa "réplique" suit.

, l'organisme parent est remplacé par deux organismes filles, car il se divise littéralement en deux.

le type de divisions cellulaires par lesquelles les procaryotes reproduisent chaque cellule fille en division reçoit une copie du chromosome parental unique.
Couvert dans BIOL1020 Lab 6 Mitose et méiose.

, est un processus moins compliqué et beaucoup plus rapide que la division cellulaire chez les eucaryotes. En raison de la vitesse de division cellulaire bactérienne, les populations de bactéries peuvent croître très rapidement.

Reproduction asexuée chez les protistes dans laquelle la mitose est suivie d'une division cytoplasmique, produisant deux nouveaux organismes.
binôme Les deux noms, genre et espèce, qui composent le nom scientifique.

/BINE-er-ee/ n. La méthode de reproduction utilisée par les procaryotes, dans laquelle une seule cellule mère se divise en deux cellules filles, chacune recevant une seule copie complète du chromosome parental. PLUS D'INFORMATION .

Une méthode de reproduction asexuée procaryote qui produit deux cellules identiques.

: Mode de reproduction n'impliquant aucun sexe mais division d'une cellule parentale en deux descendants de taille égale.
Bioinformatique : Acquisition, gestion et analyse informatisées de l'information biologique. Voir Conférences en ligne sur la bioinformatique.

- Reproduction asexuée trouvée chez les procaryotes dans laquelle une cellule se divise en deux cellules filles égales par un processus non mitotique.
Chimioautotrophes - Organismes qui tirent leur énergie de la synthèse de matières organiques à partir de molécules inorganiques.

est une méthode de reproduction asexuée utilisée par la plupart des procaryotes (c'est-à-dire que la reproduction asexuée aboutit théoriquement à deux cellules identiques. .
Article complet.

La croissance cellulaire
Cellules labiles, cellules qui se divisent constamment
Klerokinésie.

: Un type de reproduction asexuée où la cellule se divise en deux pour former deux cellules filles.
Croisement : lorsque les gènes des paires homologues changent pour une variation génétique.
Annonces .

surtout en herbe
mitose et méiose à l'aide d'un fuseau suivi d'une cytokinèse.

, la plupart des bactéries d'une colonie sont génétiquement identiques à la cellule mère.

graphique à barres un graphique qui utilise des barres verticales ou horizontales pour afficher des données dénombrables bénigne un type de tumeur qui ne se développe pas de manière agressive biais préjugé en faveur ou contre une chose, une personne ou un groupe par rapport à une autre, généralement d'une manière considéré comme injuste

D'autre part, les bactéries (organismes procaryotes) produisent de nouvelles cellules par un mécanisme différent et relativement plus simple appelé

La proximité de deux ou plusieurs marqueurs (p.

chez les procaryotes, mitose ou méiose chez les eucaryotes), .

Dans des conditions favorables, les bactéries se reproduiraient de manière asexuée grâce à un type de processus de division cellulaire appelé

. Au cours de cette méthode de reproduction asexuée, la molécule d'ADN unique se répliquerait pour créer une copie de son chromosome unique d'origine.

Les cellules bactériennes se développent par un processus appelé

: Une cellule double de taille et se divise en deux pour produire deux cellules filles identiques. Ces cellules filles peuvent ensuite doubler à nouveau de taille pour produire quatre cellules sœurs et celles-ci pour en produire huit, et ainsi de suite.

Ils montrent une grande diversité dans les modes de multiplication, qui peuvent être par

, bourgeonnement ou fragmentation. D'un point de vue nutritionnel, ils vont de chimiolithoautotrophes à organotrophes. Physiologiquement, ils peuvent être aérobies, anaérobies facultatifs ou strictement anaérobies.

Les cellules procaryotes se reproduisent par un processus appelé

. L'ADN de ces cellules est contenu dans un seul chromosome circulaire appelé plasmide à l'intérieur du cytoplasme. Le processus de reproduction commence par la réplication du chromosome.

Pour la plupart des types de plasmides, des copies dans le cytoplasme sont transmises aux cellules filles pendant

Les bactéries se reproduisent par

reproduction des cellules bactériennes.

2.2.4 Déclarer que les cellules procaryotes se divisent par

est une méthode de reproduction asexuée impliquant la division de l'organisme parent en deux organismes distincts.
« Précédent .

Réplication de l'ADN . processus par lequel l'ADN est copié dans une cellule avant qu'une cellule ne se divise par mitose, méiose ou

.
Syndrome de Down. Maladie génétique humaine résultant d'un chromosome 21 supplémentaire, caractérisée par un retard mental et des anomalies cardiaques et respiratoires.

Par exemple, de nombreuses bactéries se reproduisent principalement de manière asexuée. La bactérie illustrée à droite se reproduit de manière asexuée, par

. La définition d'une espèce comme un groupe d'individus se reproduisant ne peut pas être facilement appliquée aux organismes qui se reproduisent uniquement ou principalement de manière asexuée.

myxamoeba - dans Dictyostelium discoideum, la cellule haploïde solitaire du cycle de vie végétatif qui vit sur les bactéries et se reproduit par


Autres concepts d'espèces

Comme évoqué plus haut, le concept d'espèce biologique ne peut certainement pas répondre à ses limites. En conséquence, de nombreux concepts pour définir une espèce ont été proposés. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns d'entre eux.

Concept de Reconnaissance des Espèces (RSC)

Semblable au concept d'espèce biologique, le concept d'espèce de reconnaissance tourne autour du comportement d'accouplement et des modèles de reproduction des organismes.

  • Selon ce concept, les organismes qui peuvent reconnaître d'autres organismes comme leur partenaire potentiel sont considérés comme la même espèce. Un tel phénomène est appelé un “système de reconnaissance de partenaire partagé“.
  • Prenons par exemple les espèces de la classe Insecte du Royaume Animalia. En utilisant ce concept, les insectes comme les papillons, les abeilles et les fourmis peuvent être classés comme une espèce car ils peuvent reconnaître d'autres "insectes" comme leur partenaire potentiel malgré leur grand nombre.

Concept d'espèce phénétique (PhSC)

Ce concept s'attarde sur les caractéristiques phénotypiques (physiques) qui existent parmi les organismes. Selon ce concept, les organismes ne sont classés dans la même espèce que lorsqu'ils sont physiquement distincts des autres organismes.

  • Contrairement au concept d'espèce de reconnaissance, le concept d'espèce phénétique propose que les individus qui se ressemblent physiquement mais ont tendance à s'éviter pendant l'accouplement sont toujours considérés comme la même espèce.
  • L'espèce humaine Homo sapiens peut être utilisé comme exemple pour ce concept. Les humains peuvent être classés comme une seule espèce car ils ressemblent aux mêmes parties du corps et aux mêmes organes. Ceci est bien sûr indépendamment de certaines variations comme la couleur de la peau, la taille et d'autres traits.

Concept d'espèces phylogénétiques (CSP)

Ce concept a une approche différente des deux précédents. Selon ce concept, les individus appartiennent à la même espèce si et seulement s'ils descendent d'un ancêtre commun.

  • En descendant d'un ancêtre commun, chaque individu d'une même espèce possède un certain trait définissant (distinguable des autres) et dérivé (trait commun hérité de l'ancêtre).
  • Un bon exemple de ce concept est l'espèce de chien (par exemple Shi tzu, bouledogue, carlin) Canis familiaris, qui descendent tous de leur ancêtre commun : les loups. Bien qu'ils aient des caractéristiques communes, ils ont également développé certains traits uniques. Par conséquent, les espèces sont considérées comme étant individuellement distinctes les unes des autres.

Plus de concepts d'espèces

Selon ‘Une hiérarchie des concepts d'espèces : le dénouement dans la saga du problème des espèces‘ écrit par le Dr R.L. Mayden, il existe également d'autres concepts d'espèces moins courants qui sont énumérés ci-dessous :

  • Concept d'agamo-espèces (ASC)
  • Concept d'espèces de cohésion (CSC)
  • Concept d'espèce cladistique (CISC)
  • Concept d'espèce composite (CpSC)
  • Concept d'Espèce Écologique (ECSC)
  • Unité significative évolutive (ESU)
  • Concept d'espèce évolutive (ESC)
  • Concordance généalogique (CCG)
  • Concept d'Espèce Génétique (CGC)
  • Définition de cluster génotypique (GCD)
  • Concept d'Espèce Hennigienne (HSC)
  • Concept d'espèce internodale (ISC)
  • Concept d'Espèce Morphologique (CSM)
  • Concept d'espèce non dimensionnelle (NDSC)
  • Concept d'espèces polythétiques (PtSC)
  • Reconnaissance du concept d'espèce (RSC)
  • Compétition reproductive (RCC)
  • Concept de succession d'espèces (SSC)
  • Concept d'espèce taxonomique (TSC)

Si le concept d'espèce biologique reste à remettre en cause par certains, il est indéniable qu'il fournit la définition la plus essentielle et la plus correcte d'une espèce. Il est important de savoir que les questions sans réponse sur les espèces ont tendance à avoir un impact, en particulier lorsqu'il s'agit de leur préservation et de leur éventuelle restauration.

Mais en ce qui concerne la définition de ce qu'est une espèce (et après avoir connu les limites du concept), êtes-vous d'accord avec Mayr ? Qu'est-ce que tu penses?


Définition d'organisme unicellulaire

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En biologie, le terme « organismes unicellulaires » lui-même définit le type d'entités vivantes qu'ils sont. Ce sont des organismes unicellulaires, dans lesquels les fonctions telles que l'alimentation, la locomotion, l'expulsion des déchets, la reproduction, etc. sont assurées par la cellule unique. Dans la plupart des cas, ils sont minuscules et nécessitent des microscopes pour être visualisés. Contrairement à cela, les organismes constitués de plus d'une cellule sont appelés organismes multicellulaires. Toutes les plantes et tous les animaux viables à l'œil nu sont des exemples de types multicellulaires.

En fonction de la complexité de la cellule, les organismes à cellule unique sont classés en deux types, à savoir les procaryotes et les eucaryotes. Le premier a une structure cellulaire simple, par rapport au dernier type. De plus, l'organisme unicellulaire procaryote (par exemple une bactérie) est dépourvu de noyau cellulaire alors que l'organisme unicellulaire eucaryote possède un noyau dans la cellule. Parlant du fonctionnement de ces organismes, ils acquièrent des méthodes spécifiques pour se déplacer d'un endroit à un autre, assimiler les nutriments, grandir et multiplier leur population.


Sept caractéristiques de la vie

Les biologistes ont identifié sept caractéristiques communes à tous les êtres vivants.

Il y a des caractéristiques que toute la vie sur terre partage. Bien qu'il puisse sembler évident qu'un rocher n'est pas vivant et qu'une personne l'est, il y a des questions concernant d'autres choses, telles que virus. Voici sept caractéristiques qui sont utilisées dans la science de la biologie pour définir ce qu'est la vie.

Cellules et organisation

Les cellules sont l'unité de base de la vie. Le plus petit organisme est constitué d'une cellule. Dans cette cellule se trouve l'équivalent cellulaire d'organes, appelés organites. Les organites sont constitués de molécules ou de macromolécules telles que des glucides, des lipides, des protéines et des acides nucléiques. Ces organites remplissent différentes fonctions, notamment le transfert d'acide ribonucléique (ARN), la fabrication d'adénosine triphosphate (ATP) pour l'énergie ou le transfert de molécules dans et hors de la cellule.

Des cellules similaires se combinent pour former des tissus, tels que le péricarde, la membrane entourant le cœur. Les tissus donnent naissance à des organes, comme le foie, le cœur ou la peau. Contrairement à l'organisme unicellulaire, les organismes complexes consistent en une combinaison de cellules, de tissus et d'organes.

Métabolisme

Les organismes doivent acquérir et utiliser de l'énergie pour maintenir leurs systèmes vivants complexes. Les cellules métabolisent des molécules, telles que des nutriments, pour produire de l'énergie et l'utiliser pour d'autres processus, comme la réplication de l'acide désoxyribonucléique (ADN).

Certains organismes, y compris les plantes et certaines bactéries, peuvent convertir l'énergie lumineuse pour produire des nutriments. C'est ce qu'on appelle la photosynthèse. D'autres organismes, comme les animaux, doivent consommer d'autres organismes pour répondre à leurs besoins énergétiques.

Adaptation environnementale

Les organismes doivent être capables de s'adapter à leurs environnements changeants. Par exemple, pendant la saison où le soleil est directement au-dessus, les plantes pousseront vers le haut, mais elles pousseront plus vers le côté pendant les saisons où le soleil est plus bas dans le ciel. Les chevaux se débarrassent de leur pelage au printemps et en été pour permettre un refroidissement plus facile par temps plus chaud. Ils acquièrent un pelage épais pour les mois d'hiver lorsqu'il est nécessaire de garder l'air chaud près de la peau.

Homéostasie

Les organismes doivent maintenir un environnement interne propice au métabolisme cellulaire. Par exemple, les humains doivent maintenir une température corporelle spécifique. Lorsqu'ils ont froid, ils tremblent, une réponse qui amène les muscles à produire plus de chaleur. Lorsqu'ils sont trop chauds, le corps produit de la sueur qui évacue la chaleur du corps lorsqu'elle s'évapore. Le degré auquel cela doit être fait varie selon les organismes.

La croissance et le développement

Tous les organismes subissent un processus de croissance et de développement. Les organismes unicellulaires commencent comme des cellules plus petites qui se développent. Le contenu de la cellule peut devenir plus diversifié et plus complexe. Des organismes plus complexes, tels que les humains, commencent comme une seule cellule qui se divise pour créer plus de cellules. Ces nouvelles cellules se différencient pour se développer en cellules spécialisées qui forment différents tissus et organes.

La reproduction

Tous les organismes vivants ont de l'ADN, qui est du matériel génétique contenant les informations et les instructions pour former un organisme. Tous les organismes meurent et doivent pouvoir transmettre ce matériel génétique pour créer plus d'organismes. Cela se fait par la reproduction. Les organismes unicellulaires peuvent se diviser en deux et croître. D'autres organismes se reproduisent sexuellement, un processus qui nécessite un autre organisme avec lequel partager son ADN.

Évolution

Le livre, La biologie, par Robert J. Brooker, et al., définit l'évolution biologique comme "le phénomène selon lequel les populations d'organismes changent au cours de nombreuses générations". Cela peut inclure la longueur et la forme du bec d'une espèce particulière d'oiseau qui est mieux adapté à l'acquisition de certains types d'aliments dans un environnement particulier.

Les caractéristiques des êtres vivants commencent par l'organisation du niveau moléculaire au niveau de l'organisme. Les organismes sont capables d'acquérir de l'énergie et de la décomposer pour une utilisation cellulaire. Cette énergie est utilisée pour maintenir un environnement interne propice aux processus cellulaires. Les organismes peuvent s'adapter aux changements environnementaux et une espèce dans son ensemble peut évoluer sur plusieurs générations. Les organismes vivants peuvent se reproduire pour créer plus d'organismes qui grandiront et se développeront. Essentiellement, ces propriétés de la vie, ensemble, sont la définition de la vie.

Les organismes vivants partagent ces sept caractéristiques, mais cela ne les rend pas identiques. La capacité de l'individu à s'adapter et à la population d'évoluer permet une diversité d'espèces à travers le monde. Cette diversité permet aux organismes de vivre dans les divers environnements de la terre.

Référence

Brooker, Robert J., Widmaier, Eric P., Graham, Linda E. et Stiling, Peter D. La biologie. New York : McGraw-Hill, 2008.


Propriétés de la vie

Figure 1. Ce papillon monarque femelle représente une structure hautement organisée constituée de cellules, de tissus, d'organes et de systèmes organiques

Tous les organismes vivants partagent plusieurs caractéristiques ou fonctions clés : ordre, sensibilité ou réponse à l'environnement, reproduction, croissance et développement, régulation, homéostasie et traitement de l'énergie. Considérées ensemble, ces caractéristiques servent à définir la vie.

Commander

Les organismes sont des structures hautement organisées et coordonnées qui se composent d'une ou plusieurs cellules. Même les organismes unicellulaires très simples sont remarquablement complexes : à l'intérieur de chaque cellule, les atomes forment des molécules qui à leur tour forment des organites cellulaires et d'autres inclusions cellulaires.

Dans les organismes multicellulaires (Figure 1), des cellules similaires forment des tissus. Les tissus, à leur tour, collaborent pour créer des organes (structures corporelles ayant une fonction distincte). Les organes travaillent ensemble pour former des systèmes d'organes.

Sensibilité ou réponse aux stimuli

Figure 2.Les feuilles de cette plante sensible (Mimosa pudica) s'affaissera et se pliera instantanément au toucher. Après quelques minutes, la plante revient à la normale.

Les organismes réagissent à divers stimuli. Par exemple, les plantes peuvent se pencher vers une source de lumière, grimper sur les clôtures et les murs ou réagir au toucher (figure 2). Même de minuscules bactéries peuvent se rapprocher ou s'éloigner des produits chimiques (un processus appelé chimiotaxie) ou léger (phototaxis). Le mouvement vers un stimulus est considéré comme une réponse positive, tandis que l'éloignement d'un stimulus est considéré comme une réponse négative.

Regardez cette vidéo pour voir comment les plantes réagissent à un stimulus, de l'ouverture à la lumière, à l'enroulement d'une vrille autour d'une branche, à la capture d'une proie.

La reproduction

Les organismes unicellulaires se reproduisent en dupliquant d'abord leur ADN, puis en le divisant de manière égale au fur et à mesure que la cellule se prépare à se diviser pour former deux nouvelles cellules. Les organismes multicellulaires produisent souvent des cellules germinales reproductrices spécialisées qui formeront de nouveaux individus. Lors de la reproduction, des gènes contenant de l'ADN sont transmis à la progéniture d'un organisme. Ces gènes garantissent que la progéniture appartiendra à la même espèce et aura des caractéristiques similaires, telles que la taille et la forme.

La croissance et le développement

Figure 3. Bien qu'il n'y en ait pas deux qui se ressemblent, ces chiots ont hérité des gènes des deux parents et partagent bon nombre des mêmes caractéristiques.

Les organismes grandissent et se développent en suivant des instructions spécifiques codées par leurs gènes. Ces gènes fournissent des instructions qui dirigeront la croissance et le développement cellulaires, garantissant qu'un jeune d'une espèce (figure 3) grandira pour présenter bon nombre des mêmes caractéristiques que ses parents.

Régulation

Même les plus petits organismes sont complexes et nécessitent de multiples mécanismes de régulation pour coordonner les fonctions internes, répondre aux stimuli et faire face aux stress environnementaux. Deux exemples de fonctions internes régulées dans un organisme sont le transport des nutriments et le flux sanguin. Les organes (groupes de tissus travaillant ensemble) remplissent des fonctions spécifiques, telles que le transport de l'oxygène dans tout le corps, l'élimination des déchets, l'apport de nutriments à chaque cellule et le refroidissement du corps.

Homéostasie

Figure 4. Ours polaires (Ursus maritimus) et d'autres mammifères vivant dans des régions couvertes de glace maintiennent leur température corporelle en générant de la chaleur et en réduisant les pertes de chaleur à travers une fourrure épaisse et une couche dense de graisse sous leur peau.

Pour fonctionner correctement, les cellules doivent avoir des conditions appropriées telles qu'une température, un pH et une concentration appropriés de divers produits chimiques. Ces conditions peuvent cependant changer d'un moment à l'autre. Les organismes sont capables de maintenir des conditions internes dans une plage étroite presque constamment, malgré les changements environnementaux, grâce à homéostasie (littéralement, “état stable”)—la capacité d'un organisme à maintenir des conditions internes constantes. Par exemple, un organisme doit réguler la température corporelle par un processus appelé thermorégulation. Les organismes qui vivent dans les climats froids, comme l'ours polaire (figure 4), ont des structures corporelles qui les aident à résister aux basses températures et à conserver la chaleur corporelle. Les structures qui facilitent ce type d'isolation comprennent la fourrure, les plumes, la graisse et la graisse. Dans les climats chauds, les organismes disposent de méthodes (telles que la transpiration chez les humains ou l'halètement chez les chiens) qui les aident à évacuer l'excès de chaleur corporelle.

Traitement de l'énergie

Tous les organismes utilisent une source d'énergie pour leurs activités métaboliques. Certains organismes captent l'énergie du soleil et la convertissent en énergie chimique dans les aliments (photosynthèse), d'autres utilisent l'énergie chimique dans les molécules qu'ils absorbent comme nourriture (respiration cellulaire).

Figure 5. Le condor de Californie (Gymnogyps californianus) utilise l'énergie chimique dérivée de la nourriture pour propulser le vol. Les condors de Californie sont une espèce en voie de disparition cet oiseau a une étiquette d'aile qui aide les biologistes à identifier l'individu.


Que sont les organismes coloniaux ?

Les organismes coloniaux sont en fait des groupes d'organismes individuels ayant une relation étroite et dépendante avec d'autres organismes de la colonie, souvent avec chaque membre ayant une spécialisation très spécifique qui les rend incapables de survivre seuls. Les membres individuels peuvent être des organismes multicellulaires ou des organismes unicellulaires.

Les organismes coloniaux bénéficient de leur organisation en ayant plus de protection ou en étant capables d'attraper des proies plus grosses qu'un membre individuel ne pourrait le faire. Bien que cette description s'applique généralement aux organismes qui vivent attachés les uns aux autres, les insectes, tels que les abeilles mellifères et les fourmis, qui vivent dans des colonies interdépendantes sont également parfois considérés comme des organismes coloniaux.

Certains des exemples les plus complexes d'organismes coloniaux sont les siphonophores, tels que l'homme de guerre portugais. Ils sont plus étroitement liés aux méduses et aux anémones de mer, qui sont de véritables organismes individuels. Ces organismes coloniaux montrent un très haut niveau de spécialisation dans leurs membres individuels, appelés zooïdes. L'homme de guerre portugais a quatre types différents de zooïdes, dont chacun remplit une fonction particulière pour les organismes coloniaux que les autres ne peuvent pas.Un type de zooïde assure la propulsion de la colonie, tandis qu'un autre est capable d'ingérer et de digérer des aliments. Ils vivent attachés les uns aux autres, partageant la nutrition.