La biologie est définie comme la science du vivant, et recouvre également l’histoire naturelle des êtres vivants. C’est seulement au milieu du XIXè siècle qu’on découvre que la cellule est l’unité de base du monde vivant (animaux et végétaux, algues, cyanobactéries, plancton) grâce à de nouvelles techniques de microscopie. A travers cet article, nous allons principalement parler de cellules et de bactéries, les plus petits organismes unicellulaires vivants.

Différents types de cellules existant dans notre corps. Il y a un neurone moteur, un globule blanc, un globule rouge, un ovule et un spermatozoïde.

Mais comment est apparue la première cellule ? L’hypothèse principale évoque l’assemblage spontané d’un film de lipides autour d’un matériel doué d’autoréplication de nature ARN (Acide RiboNucléique) et qui vivent dans un milieu favorable aux réactions chimiques.

La sélection naturelle a pu agir sur cet assemblage. Cependant, pour être viable, il devait capter sa nourriture et rejeter ses déchets. La naissance et les étapes de l’évolution de la cellule ont été analysées dans des dépôts de carbone minéral fossilisés. Les plus anciens fossiles connus datent de 1,2 milliards d’années. En Australie et au Groenland, des traces de bactéries, datant de 3,5 milliards d’années, ont été analysées. Ce qui correspond à la période de la formation de la Terre.

L’oxygène de l’atmosphère provient majoritairement des cyanobactéries et ces dernières participent au bon fonctionnement de notre corps. Aujourd’hui, le monde cellulaire est d’une grande diversité : mode de vie, de forme, de taille. Néanmoins, toutes les cellules sont constituées des mêmes briques fondamentales (protéines, glucides, lipides et des acides nucléiques).

Toute cellule est entourée d’une barrière : une double membrane plasmique délimitant un compartiment rempli d’une solution aqueuse nommée cytoplasme. dans lequel sont concentrées des milliers de molécules différentes qui s’organisent autour de différents travaux mécaniques et électriques. Les protéines cellulaires sont codées par l’ADN (Acide DésoxyriboNucléique) présent dans le noyau de la cellule.

Dans le monde vivant coexistent deux types d’organisation cellulaire : le type procaryote et le type eucaryote. Chez les procaryotes, l’ADN baigne directement dans le cytoplasme. Chez les eucaryotes, l’ADN est enfermé dans un compartiment au cœur de la cellule : le Noyau. Ce noyau est délimité par une double membrane.

La cellule eucaryote peut être comparée à une usine avec la membrane comme frontière, le cytoplasme et ses éléments comme la machinerie et le noyau et ses éléments comme le centre de contrôle. Les molécules biologiques sont les acteurs qui vont faire fonctionner l’usine. Une molécule biologique est un assemblage d’atomes, principalement le Carbone, l’Hydrogène, l’Oxygène, l’Azote, le Phosphore et le Soufre. Cependant, son système est plus complexe que la plus sophistiquée des usines. Aux frontières du vivant, il existe une autre forme de vie dont nous ne parlerons pas ici : les Virus. Ils n’ont pas la forme de cellules mais parasitent les cellules pour se reproduire et croître.

Bactéries Escherichia Coli

Les organismes vivants les plus abondants sur Terre sont les bactéries. Elles sont présentes partout, autour de nous et sur nous. Chez l’humain en bonne santé il y a cent fois plus de bactéries que de cellules humaines, surtout au niveau de la peau et de l’intestin. Les premières bactéries vivaient dans un environnement sans oxygène, lequel est nécessaire pour produire de l’énergie, moteur de la vie. Donc, les bactéries ont produit de l’oxygène. Mais, cet oxygène est toxique et induit ce qu’on appelle le stress oxydatif (qui est toujours présent dans nos cellules). Alors, seules les cellules résistantes ont survécu et elles se sont adaptées en développant une manière nouvelle de créer de l’énergie. Ce sera le principe de la respiration.

La machine cellulaire a besoin de carburant pour produire de l’énergie. Ce carburant est une petite molécule : l’ATP ou Adénosine TriPhosphate. Dans le cytoplasme, ce sont les mitochondries qui produisent l’ATP au niveau des protéines insérées dans leur membrane. Les mitochondries dégradent les sucres et les graisses en consommant de l’oxygène et en libérant du dioxyde de carbone (CO₂) et de la vapeur d’eau : c’est la respiration cellulaire.

Les bactéries sont capables de transformations impressionnantes (morphologie ou assimilation de la nourriture). Elles s’adaptent aux variations de leur environnement. Certaines ont besoin d’oxygène, pour d’autres, l’oxygène est toxique. Des bactéries vivent dans le froid antarctique et d’autres dans les sources hydrothermales à près de 100°C. Certaines obtiennent leur énergie directement du soleil, d'autres des aliments assimilés.

Des liens nous unissent aux bactéries. Dans les cellules eucaryotes, certains organites essentiels descendent de bactéries qui ont été englouties par leurs ancêtres et qui ont donné les mitochondries (voir respiration cellulaire) qui produisent l’énergie pour la cellule y compris la cellule végétale.

Le maintien de la vie sur Terre est dû à l’activité des bactéries : les bactéries décomposeuses. Elles recyclent la matière des organismes morts en libérant une forme de CO₂ réutilisable et de l’azote organique. Les végétaux (maillon de la chaîne alimentaire) utilisent ce CO₂ de l’atmosphère pour créer leur propre matière vivante. Les animaux et les humains se nourrissent de végétaux et certains se mangent entre espèces. Sans la décomposition des cadavres par les bactéries, le CO₂ resterait prisonnier de ces cadavres.

Pour les agriculteurs, les étapes de transformation conduisent au nitrate, dépendant des bactéries. Notre corps tire en permanence profit des bactéries non pathogènes car elles sont nos alliées intestinales et réalisent une partie de notre digestion. Certaines sont notre seule source de vitamines K et B12. Les bactéries transforment les sucres en acide lactique (fromage, salami, vins, cornichons…). Elles nous aident à recycler l’eau des stations d’épuration. Certaines digèrent nos polluants : marées noires ou déchets de l’industrie chimique.

Toutes les bactéries ont besoin d’humidité. Comme il y a des bonnes bactéries, il y en a aussi des mauvaises.

Représentation de 3 bonnes bactéries et 3 mauvaises bactéries pour l’intestin. Les 3 bonnes bactéries représentées sont Bifidobacteria, Lactobacilli et Escherichia Coli et les trois mauvaises sont Enterococcus Faecalis, Clostridium difficile et Campylobacter.

Les bactéries pathogènes créent des infections, c’est-à-dire qu’elles induisent le développement d’un agent pathogène. Elles disposent d’une panoplie d’armes. Elles ont des flagelles pour nager. D’autres ont des « pili », des sortes de cheveux pour s’ancrer dans l’intestin ou la vessie. Une fois installées, elles produisent des toxines et attaquent les cellules ou entrent dedans pour se cacher du système immunitaire.

Quand l’environnement est trop rude, elles forment un cocon (spore) et attendent dans de bonnes conditions. Pour lutter contre ces infections, les humains ont produit des antibiotiques. De nombreux antibiotiques sont issus de bactéries. Pour les réaliser, il faut créer des conditions adéquates. Puis, il reste à insérer des gènes (selon quel caractère est souhaité d’obtenir) dans l’ADN des bactéries qui deviennent des usines à produire des molécules étrangères. Ainsi, la bactérie se met à synthétiser la molécule voulue fabriquée grâce au gène inséré. Cela peut être des médicaments comme l’insuline ou des additifs pour l’industrie alimentaire… La dernière étape est de récupérer la molécule purifiée.

Il reste encore à découvrir une grande majorité d’espèces microbiennes. C’est un réservoir quasi infini de molécules à produire !

Article paru dans Je Science donc J'écris n°25 - Février 2021