La cellule : l'unité du vivant, de la membrane au noyau

La cellule est la plus petite unité capable de vivre par elle-même. Tout être vivant en est fait : une seule chez une bactérie ou une levure, des milliers de milliards chez un arbre ou un être humain. Chaque cellule est entourée d'une membrane, remplie d'un liquide épais, le cytoplasme, et porte son propre ADN, rangé dans un noyau chez les plantes, les animaux et les champignons.

Une cellule se nourrit, produit de l'énergie, fabrique ses propres molécules et peut se diviser pour en donner deux. Aucune partie plus petite ne sait tout faire seule. C'est en ce sens qu'on parle d'unité du vivant, un fil rouge de la rubrique Le vivant, et c'est cette unité que l'article détaille ici, de la membrane au noyau.

Une découverte au microscope

En 1665, l'Anglais Robert Hooke publie Micrographia, un recueil d'observations au microscope. En examinant de fines lamelles de liège, il voit une multitude de petites logettes vides, qui lui rappellent les cellules d'un monastère. Le mot est resté. Ce que Hooke observait n'était pourtant que les parois de cellules mortes, sans leur contenu.

Ce n'est qu'à la fin des années 1830 que deux Allemands, le botaniste Matthias Schleiden pour les plantes et le physiologiste Theodor Schwann pour les animaux, défendent l'idée que tous les êtres vivants sont faits de cellules. Au milieu des années 1850, Rudolf Virchow popularise la formule latine omnis cellula e cellula : toute cellule vient d'une cellule. Robert Remak avait déjà décrit la division cellulaire quelques années plus tôt, et les historiens des sciences lui rendent aujourd'hui une part du mérite.

Ces trois idées forment ce qu'on appelle la théorie cellulaire. Elles n'ont pas été remises en cause depuis.

Ce que contient une cellule

Prenons une cellule de plante ou d'animal, puisque ce sont les plus faciles à se représenter. Le tableau plus bas les compare à une bactérie.

La membrane, une frontière qui trie

La membrane est une enveloppe extrêmement fine, faite d'une double couche de graisses dans laquelle sont plantées des protéines. Elle laisse passer certaines molécules, en bloque d'autres et en fait entrer certaines activement, en dépensant de l'énergie.

Comme elle est faite de graisses, un détergent la dissout. C'est le principe utilisé pour extraire l'ADN d'une fraise avec du liquide vaisselle, une expérience décrite dans l'article sur l'ADN.

Le cytoplasme et les organites

À l'intérieur, le cytoplasme est un gel aqueux où baignent des structures spécialisées, les organites, chacun avec sa tâche. Les ribosomes assemblent les protéines. Le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi les finissent, les emballent et les expédient. D'autres petits sacs digèrent les déchets.

Ce cytoplasme n'est pas une soupe immobile. Un réseau de fibres, le cytosquelette, donne sa forme à la cellule et sert de rails pour déplacer les organites.

Le noyau et l'ADN

Le noyau est entouré d'une double membrane percée de pores. Il abrite les chromosomes, c'est-à-dire l'ADN enroulé autour de protéines. C'est là que les gènes sont recopiés en ARN messager, qui sort ensuite par les pores pour être lu par les ribosomes dans le cytoplasme.

Les mitochondries, centrales énergétiques

Les mitochondries tirent l'énergie des sucres en consommant de l'oxygène : c'est la respiration cellulaire. Elles ont une particularité troublante. Elles possèdent leur propre ADN, souvent circulaire, et se divisent par elles-mêmes, un peu comme des bactéries.

En 1967, la biologiste américaine Lynn Margulis, qui signait alors Lynn Sagan, a défendu dans le Journal of Theoretical Biology une idée longtemps jugée audacieuse : les mitochondries, et les chloroplastes des plantes, descendraient de bactéries absorbées il y a très longtemps par une autre cellule, et qui y seraient restées. On parle d'endosymbiose. La comparaison de l'ADN de ces organites avec celui de bactéries libres a depuis donné beaucoup de poids à cette hypothèse.

Cellule animale, cellule végétale, bactérie

Une cellule de plante possède trois choses qu'une cellule animale n'a pas. Une paroi rigide, faite surtout de cellulose, autour de la membrane. Une grande vacuole remplie d'eau qui la maintient gonflée, d'où la tenue d'une salade fraîche et la mollesse d'une salade oubliée. Et des chloroplastes, où se déroule la photosynthèse, qui contiennent les pigments dont le devenir explique pourquoi les feuilles changent de couleur en automne.

Les bactéries, elles, n'ont ni noyau ni organites entourés de membrane. Leur ADN baigne directement dans le cytoplasme. On les appelle procaryotes ; les cellules à noyau sont dites eucaryotes. Une bactérie mesure en général de l'ordre du micromètre, un millième de millimètre, et une cellule eucaryote est habituellement bien plus grande.

Combien de cellules dans un corps humain

La question paraît simple. Elle a longtemps reçu des réponses très floues, avec des ordres de grandeur qui variaient d'un facteur mille selon les manuels. Deux études ont fait le compte plus sérieusement, organe par organe.

La première, publiée en 2013 dans Annals of Human Biology par une équipe de l'université de Bologne, aboutit à environ 37 200 milliards de cellules pour un homme de 30 ans mesurant 1,72 m et pesant 70 kg (Bianconi et al., 2013). Les auteurs présentent eux-mêmes ce chiffre comme une approximation. La seconde, publiée en 2016 dans PLOS Biology par Ron Sender, Shai Fuchs et Ron Milo, de l'Institut Weizmann, arrive à environ 30 000 milliards pour un homme de référence de 70 kg (Sender, Fuchs et Milo, 2016). Selon cette seconde étude, les globules rouges, petits et innombrables, représentent la grande majorité de ce total.

Toutes ces cellules descendent d'une seule, la cellule-œuf, par des divisions successives. À chaque division, l'ADN est recopié, puis réparti en deux lots identiques entre les deux cellules filles.

Au fil du développement, ces cellules se spécialisent. Une cellule de muscle, une cellule de la peau et un neurone ne se ressemblent guère, et pourtant elles portent le même ADN. La différence tient aux gènes que chacune lit : toutes possèdent le même livre de recettes, mais chacune n'en ouvre que certaines pages. Chez les plantes, c'est pareil entre une cellule de racine, qui n'a pas de chloroplastes, et une cellule de feuille, qui en est pleine.

La cellule, une idée qui a mis du temps à s'imposer

On oublie facilement que ce savoir est récent à l'échelle de l'histoire des sciences. Entre l'observation de Hooke et la théorie cellulaire, il s'est écoulé près de deux siècles, le temps que les microscopes progressent et que les observations s'accumulent jusqu'à converger. C'est un bel exemple de la manière dont une idée scientifique se consolide, par des preuves qui s'additionnent plutôt que par une découverte unique, ce que l'article sur l'esprit critique face à une info scientifique aide à reconnaître dans l'actualité.