1re Enseignement scientifique Exercices Gratuit

Exercices — Une structure complexe : la cellule vivante

💡 Conseil : fais chaque exercice au brouillon avant d’ouvrir le corrigé — c’est en te trompant que tu progresses.

Exercice 1 — Des ordres de grandeur à apprivoiser

Voici les tailles approximatives de quelques objets :

  • un atome : 0,1 nm0{,}1\ \text{nm} ;
  • une molécule d’eau : 0,3 nm0{,}3\ \text{nm} ;
  • une protéine : 10 nm10\ \text{nm} ;
  • une mitochondrie (un organite) : 1 µm1\ \text{µm} ;
  • une cellule humaine : 20 µm20\ \text{µm}.
  1. Classe ces objets du plus petit au plus grand.
  2. Convertis la taille d’une cellule humaine (20 µm20\ \text{µm}) en mètres, en écriture scientifique. On rappelle : 1 µm=10−6 m1\ \text{µm} = 10^{-6}\ \text{m} et 1 nm=10−9 m1\ \text{nm} = 10^{-9}\ \text{m}.
  3. Combien de fois une cellule est-elle plus grande qu’un atome ?
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1. Du plus petit au plus grand : atome < molécule d’eau < protéine < mitochondrie (organite) < cellule. C’est exactement la hiérarchie du programme : atome, molécule, organite, cellule, organisme.

2. On convertit :

20 µm=20×10−6 m=2×10−5 m20\ \text{µm} = 20 \times 10^{-6}\ \text{m} = 2 \times 10^{-5}\ \text{m}

3. On fait le rapport des deux tailles. L’atome mesure 0,1 nm=10−10 m0{,}1\ \text{nm} = 10^{-10}\ \text{m} :

2×10−510−10=2×105\frac{2 \times 10^{-5}}{10^{-10}} = 2 \times 10^{5}

Une cellule est environ 200 000 fois plus grande qu’un atome. Pour se représenter cet écart : si l’atome avait la taille d’une bille de 1 cm, la cellule ferait 2 km de large !

Réflexe à retenir : pour comparer deux tailles, on ne fait pas une soustraction mais un quotient — c’est lui qui donne le « combien de fois plus grand ».

Exercice 2 — La théorie cellulaire, une construction historique

Trois repères historiques :

  • 1665 : Robert Hooke observe au microscope de fines lamelles de liège et y décrit de petites loges qu’il nomme « cellules » ;
  • 1838-1839 : Schleiden puis Schwann énoncent que tous les végétaux et tous les animaux sont constitués de cellules ;
  • 1855 : Virchow ajoute que toute cellule provient d’une cellule préexistante.
  1. Pourquoi la découverte des cellules a-t-elle été impossible avant le XVIIᵉ siècle ?
  2. Énonce en une ou deux phrases ce qu’affirme la théorie cellulaire.
  3. Le microscope optique ne permet pas de voir des détails plus petits qu’environ 0,2 µm0{,}2\ \text{µm}, le microscope électronique descend vers 0,1 nm0{,}1\ \text{nm}. Lequel permet d’observer l’intérieur des organites et les grosses molécules ? Justifie avec les tailles de l’exercice 1.
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1. Une cellule mesure quelques dizaines de micromètres : elle est invisible à l’œil nu. Il fallait un instrument qui grossit l’image — le microscope — pour la voir. La découverte de la cellule est donc liée à une invention technique : sans microscope, pas de théorie cellulaire.

2. La théorie cellulaire affirme que tous les êtres vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules, que la cellule est l’unité fondamentale de la vie, et que toute cellule provient d’une autre cellule.

3. Une protéine mesure environ 10 nm=0,01 µm10\ \text{nm} = 0{,}01\ \text{µm} : c’est 20 fois plus petit que la limite du microscope optique (0,2 µm0{,}2\ \text{µm}). Seul le microscope électronique (limite vers 0,1 nm0{,}1\ \text{nm}) permet donc de voir l’intérieur des organites et les grosses molécules. C’est lui qui a permis de relier l’échelle moléculaire à l’échelle cellulaire.

Réflexe à retenir : en sciences, une avancée de théorie suit souvent une avancée d’instrument. La question « avec quoi a-t-on observé ? » est toujours une bonne question.

Exercice 3 — La membrane plasmique et les échanges

La cellule est un milieu réactionnel aqueux séparé de l’extérieur par la membrane plasmique.

  1. Cite deux exemples de substances qui entrent dans une cellule animale et deux exemples de substances qui en sortent.
  2. Pourquoi la cellule ne peut-elle pas vivre « fermée », sans aucun échange ?
  3. On place des cellules d’épiderme d’oignon dans de l’eau très salée : au microscope, on voit le contenu des cellules se rétracter. Propose une explication faisant intervenir un échange à travers la membrane.
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1. Entrent : le dioxygène et les nutriments (glucose par exemple). Sortent : le dioxyde de carbone et les déchets produits par le fonctionnement cellulaire.

2. Le fonctionnement cellulaire nécessite un apport d’énergie et de matière : la cellule doit se procurer nutriments et dioxygène à l’extérieur, et évacuer ses déchets. Elle est donc en interaction permanente avec son environnement — une cellule totalement isolée mourrait.

3. L’eau très salée attire l’eau contenue dans la cellule : de l’eau sort de la cellule à travers la membrane plasmique, et le contenu cellulaire se rétracte (on parle de plasmolyse). Cette expérience met en évidence un échange à travers la membrane : celle-ci sépare la cellule de l’extérieur sans être étanche.

Réflexe à retenir : membrane plasmique = frontière contrôlée, pas muraille. Elle délimite ET elle échange.

Exercice 4 — Les virus sont-ils vivants ? (type contrôle ⭐)

Voici quelques caractéristiques d’un virus, comme le virus de la grippe :

  • il possède un matériel génétique entouré d’une enveloppe ;
  • il n’est pas constitué de cellules ;
  • il n’a pas de milieu réactionnel propre : il ne consomme pas d’énergie par lui-même ;
  • il ne peut se multiplier qu’en pénétrant dans une cellule, dont il détourne le fonctionnement.
  1. En t’appuyant sur la théorie cellulaire, donne un argument pour dire qu’un virus n’est pas un être vivant.
  2. Donne maintenant un argument en faveur du statut de vivant.
  3. Conclus en expliquant pourquoi les scientifiques débattent encore de cette question.
  4. L’alcool est une molécule exogène (venue de l’extérieur) qui perturbe le fonctionnement des cellules, notamment celui des neurones. Explique pourquoi une molécule extérieure peut avoir un effet sur une cellule.
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1. Selon la théorie cellulaire, tout être vivant est constitué de cellules. Or un virus n’est pas une cellule : pas de milieu réactionnel aqueux, pas d’échanges autonomes, pas de consommation d’énergie propre, pas de multiplication autonome. À ce titre, il ne remplit pas les critères du vivant.

2. Un virus possède un matériel génétique, qu’il transmet en se multipliant, et il évolue au cours du temps (c’est pour cela que le vaccin contre la grippe change chaque année). Ce sont des propriétés typiques du vivant.

3. Le virus est un cas limite : il possède certaines caractéristiques du vivant (matériel génétique, évolution) mais pas d’autres (structure cellulaire, autonomie énergétique). La réponse dépend donc des critères que l’on choisit pour définir la vie — et c’est exactement pour cela que le débat reste ouvert. En sciences, discuter d’un cas limite oblige à préciser ses définitions : c’est très fécond.

4. La membrane plasmique permet des échanges entre la cellule et son environnement : certaines molécules exogènes peuvent donc entrer dans la cellule ou interagir avec sa membrane. Une fois au contact du milieu réactionnel cellulaire, elles peuvent modifier les réactions chimiques qui s’y déroulent : effet bénéfique pour un médicament, effet toxique pour l’alcool, les solvants ou les métaux lourds.

Réflexe à retenir : à la question « les virus sont-ils vivants ? », la meilleure réponse n’est ni « oui » ni « non », mais un argumentaire dans les deux sens suivi d’une conclusion nuancée. C’est ce qui est attendu en contrôle.

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