Une structure complexe : la cellule vivante — exercices corrigés d’enseignement scientifique 1re (PDF)

Le corps d’un adulte compte de l’ordre de 30 000 milliards de cellules ; une bactérie, elle, n’en a qu’une. La plupart des cellules sont trop petites pour l’œil nu : il a fallu le microscope pour les découvrir, puis le microscope électronique pour explorer leur intérieur en détail. Ce chapitre suit cette histoire, situe les tailles de l’atome à l’organisme, puis regarde la cellule fonctionner : un milieu aqueux, limité par une membrane, qui échange en permanence avec l’extérieur. Il se termine sur une question qu’on discute encore : un virus est-il vivant ? Les trois premiers exercices vérifient que le cours est compris, sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants sont des situations d’évaluation, avec des documents : un virus qui s’attaque à une bactérie, puis des cellules de betterave plongées dans l’alcool, avec un corrigé rédigé comme au tableau.

La cellule, unité du vivant

1Une découverte liée au microscope

1665, Robert Hooke. Au microscope, il observe du liège et nomme « cellules » les petites loges qu’il y voit : les parois de cellules mortes.
Années 1670, Antoni van Leeuwenhoek. Avec ses microscopes à une seule lentille, il observe des cellules vivantes, par exemple des êtres faits d’une seule cellule dans une goutte d’eau.
1838-1839, Schleiden puis Schwann. Les plantes, puis les animaux, sont faits de cellules.
1855, Virchow. Toute cellule provient d’une cellule.
À partir de 1931, le microscope électronique. Il montre l’intérieur des organites et relie l’échelle des molécules à celle de la cellule.

Théorie cellulaire : tout être vivant est fait d’une ou de plusieurs cellules, et toute cellule provient d’une cellule.

Elle s’est construite en observant des structures semblables chez de très nombreux organismes : la cellule est l’unité de structure et de fonctionnement du vivant.

2Situer les tailles du vivant

Le pouvoir de résolution d’un instrument est la taille du plus petit détail qu’il permet de distinguer.

À l’œil nu · détails de plus de 0,1 mm environ

1 m organisme : un être humain, environ 1,7 m
10⁻⁴ m cellule : un ovule humain, environ 0,1 mm, à la limite de l’œil

Au microscope optique · détails de plus de 0,2 µm environ

10⁻⁵ m cellule : une cellule humaine courante, de 10 µm à 30 µm ; organite : le noyau, environ 6 µm
10⁻⁶ m organite : une mitochondrie, environ 1 µm ; une bactérie, environ 2 µm, à la fois cellule et organisme

Au microscope électronique · détails de plus de 1 nm environ

10⁻⁷ m virus : celui de la grippe, environ 0,1 µm
10⁻⁸ m molécule : une grosse protéine, environ 10 nm ; la membrane plasmique, deux couches de molécules, épaisse d’environ 7,5 nm
10⁻⁹ m molécule : la largeur d’une molécule d’ADN, environ 2 nm

Plus petit encore

10⁻¹⁰ m atome : environ 0,1 nm

1 mm = 10⁻³ m · 1 µm = 10⁻⁶ m · 1 nm = 10⁻⁹ m. Donc 1 mm = 1 000 µm et 1 µm = 1 000 nm.

Ordre de grandeur : on écrit la taille en mètres, a × 10ⁿ avec 1 ≤ a < 10 ; c’est 10ⁿ si a < 5, et 10ⁿ⁺¹ si a ≥ 5.

Comparer deux tailles : on les écrit dans la même unité, puis on divise la plus grande par la plus petite.

3Un milieu qui échange

La cellule est un milieu réactionnel aqueux : l’eau représente environ 70 % de sa masse, et des réactions chimiques s’y déroulent en permanence. Le cytoplasme entoure le noyau et les autres organites, des compartiments en général limités par une membrane. La membrane plasmique sépare la cellule de l’extérieur : faite de deux couches de lipides dans lesquelles s’insèrent des protéines, épaisse d’environ 7,5 nm, elle laisse passer certaines substances et en retient d’autres.

Pour fonctionner, la cellule a besoin d’énergie. Le plus souvent, elle la tire de la respiration, qui transforme des nutriments, comme le glucose, en présence de dioxygène, en grande partie dans les mitochondries : elle échange donc en permanence avec son milieu.

glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

Mettre en évidence un échange : on mesure ce qui varie dans le milieu et on compare à un témoin, identique à une seule différence près. Ce qui diminue dans le milieu entre dans les cellules ; ce qui augmente en sort.

4Les molécules venues de l’extérieur

Une molécule exogène vient de l’extérieur de la cellule ou de l’organisme : alimentation, air respiré, médicament, pollution. Une molécule endogène est fabriquée par l’organisme lui-même, comme l’insuline produite par le pancréas.

Bon fonctionnement

dioxygène, nutriments, vitamines, médicaments

Dysfonctionnements

alcool, solvants, métaux lourds, composés de la fumée de cigarette, protoxyde d’azote

L’effet dépend de la molécule et de sa dose : un médicament utile à la dose prescrite peut devenir toxique à forte dose.

5Un virus, vivant ou non ?

Un virus est fait d’un matériel génétique (ADN ou ARN) protégé par une coque de protéines, la capside, parfois entourée d’une enveloppe : un morceau de membrane pris à la cellule infectée. Il n’a ni cytoplasme ni ribosomes (les structures qui fabriquent les protéines), et ne produit pas d’énergie : il ne se multiplie qu’à l’intérieur d’une cellule, dont il détourne le fonctionnement.

Pour le classer parmi les êtres vivants : il possède des gènes, il se multiplie dans une cellule et il évolue.
Contre : il n’est pas une cellule et ne fonctionne pas seul.

Son statut dépend des critères retenus. La taille ne tranche rien : certains virus sont plus grands que certaines bactéries.

La carte du chapitre : comment la cellule a été découverte, où elle se situe entre l’atome et l’organisme, comment elle échange avec son milieu, et pourquoi le statut des virus se discute. Les exercices de la page s’appuient sur ces repères.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

Le chapitre en un paragraphe

★★★

Le cours en un texte à trous

La plupart des cellules sont trop petites pour l'œil nu : leur découverte, au XVII^e siècle, a suivi l'invention . Observées chez de très nombreux organismes, elles ont conduit à la théorie cellulaire : tout être vivant est fait , et toute cellule provient . L'intérieur des organites n'a été exploré qu'avec le microscope . La cellule est un milieu réactionnel , séparé de l'extérieur par la . Pour fonctionner, elle a besoin d'un apport permanent , d'où des échanges continus avec son milieu. Une molécule venue de l'extérieur de l'organisme, dite , peut permettre ce fonctionnement ou le perturber. Enfin, un virus se multiplie seulement .

Exercice 4

Un virus qui s'attaque aux bactéries

★★★

Tailles, microscopes et statut d'un virus

Escherichia coli est une bactérie qui vit dans l’intestin humain : un être vivant fait d’une seule cellule, en forme de bâtonnet, longue d’environ $2\ \text{µm}$ . Son matériel génétique est une molécule d’ADN qui, déroulée, mesurerait environ $1{,}6\ \text{mm}$ de long, pour une largeur de $2\ \text{nm}$ .

Le virus T4 s’attaque à cette bactérie. Il est formé d’une tête, une coque de protéines longue d’environ $0{,}1\ \text{µm}$ qui renferme son propre ADN, et d’une queue qui lui permet de se fixer sur la bactérie : le virus entier mesure environ $0{,}2\ \text{µm}$ de long. Une fois fixé, il injecte son ADN dans la bactérie. Celle-ci fabrique alors de nouveaux virus T4, avec ses propres ribosomes (les structures qui fabriquent les protéines) et sa propre énergie. Au bout d’environ 25 minutes à 37 °C, elle éclate et libère une centaine de nouveaux virus.

Données : $1\ \text{mm} = 1\,000\ \text{µm}$ ; $1\ \text{µm} = 10^{-6}\ \text{m}$ . Le plus petit détail que distingue un microscope optique mesure environ $0{,}2\ \text{µm}$ ; pour un microscope électronique, environ $1\ \text{nm}$ . L’ordre de grandeur d’une taille écrite en écriture scientifique, $a \times 10^{n}\ \text{m}$ avec $1 \leq a < 10$ , vaut $10^{n}\ \text{m}$ si $a < 5$ , et $10^{n+1}\ \text{m}$ si $a \geq 5$ .

Écrire en mètres, en écriture scientifique, la longueur de la bactérie et celle du virus T4. Donner l’ordre de grandeur de chacune.
Combien de fois la bactérie est-elle plus longue que le virus T4 ?
Peut-on voir la bactérie au microscope optique ? Peut-on y distinguer la tête et la queue du virus T4 ? Justifier avec les données.
Montrer que la molécule d’ADN de la bactérie, déroulée, serait environ 800 fois plus longue que la bactérie elle-même. Comment peut-elle tenir dans la cellule ?
En s’appuyant sur le texte, donner un argument en faveur du statut d’être vivant du virus T4 et un argument contre, puis conclure.

Voir le corrigé

1. On note $L_{\text{bactérie}}$ la longueur de la bactérie et $L_{\text{virus}}$ celle du virus. On convertit avec $1\ \text{µm} = 10^{-6}\ \text{m}$ :

$\begin{aligned} L_{\text{bactérie}} &= 2\ \text{µm} \\ &= 2 \times 10^{-6}\ \text{m} \end{aligned}$

$\begin{aligned} L_{\text{virus}} &= 0{,}2\ \text{µm} \\ &= 0{,}2 \times 10^{-6}\ \text{m} \\ &= 2 \times 10^{-7}\ \text{m} \end{aligned}$

Dans les deux cas, le nombre devant la puissance de 10 vaut $a = 2$ , plus petit que 5 : l’ordre de grandeur est la puissance de 10 elle-même. Celui de la bactérie est $10^{-6}\ \text{m}$ , celui du virus $10^{-7}\ \text{m}$ .

2. Les deux longueurs sont dans la même unité, le micromètre : on divise la plus grande par la plus petite.

$\dfrac{L_{\text{bactérie}}}{L_{\text{virus}}} = \dfrac{2\ \text{µm}}{0{,}2\ \text{µm}} = 10$

La bactérie est environ 10 fois plus longue que le virus T4 : leurs ordres de grandeur diffèrent d’une puissance de 10.

3. La bactérie mesure $2\ \text{µm}$ , soit environ 10 fois plus que le plus petit détail que distingue le microscope optique, $0{,}2\ \text{µm}$ : on la voit au microscope optique, sous la forme d’un petit bâtonnet.

La tête du virus, elle, mesure environ $0{,}1\ \text{µm}$ , moins que $0{,}2\ \text{µm}$ : au microscope optique, on ne peut pas distinguer la tête de la queue, et le virus entier, de $0{,}2\ \text{µm}$ , est juste à la limite. Pour voir sa forme, il faut le microscope électronique, qui distingue des détails d’environ $1\ \text{nm}$ : la tête, de $0{,}1\ \text{µm} = 100\ \text{nm}$ , est environ 100 fois plus grande que ce détail.

4. On écrit les deux longueurs dans la même unité, avec $1\ \text{mm} = 1\,000\ \text{µm}$ :

$\begin{aligned} 1{,}6\ \text{mm} &= 1{,}6 \times 1\,000\ \text{µm} \\ &= 1\,600\ \text{µm} \end{aligned}$

$\dfrac{1\,600\ \text{µm}}{2\ \text{µm}} = 800$

Déroulée, la molécule d’ADN serait environ 800 fois plus longue que la bactérie. Elle y tient parce qu’elle est extrêmement fine, $2\ \text{nm}$ de large, et très repliée sur elle-même : une seule molécule de la cellule peut être bien plus longue que la cellule entière.

5. Pour : le virus T4 possède du matériel génétique, son ADN, qu’il transmet aux nouveaux virus fabriqués dans la bactérie ; il se multiplie, puisqu’une bactérie infectée en libère une centaine.

Contre : il n’est pas une cellule, seulement une coque de protéines qui renferme de l’ADN. Il ne fabrique rien par lui-même : il utilise les ribosomes et l’énergie de la bactérie, et seul, il ne se multiplie pas.

Conclusion : si l’on définit le vivant par la possession de gènes et la multiplication, le virus T4 est vivant ; si l’on exige une cellule qui fonctionne par elle-même, il ne l’est pas. Son statut dépend des critères retenus : c’est pour cela qu’il est discuté.

Réflexe à retenir : pour comparer deux tailles, écris-les dans la même unité, puis divise. Et pour discuter d’un statut, annonce tes critères avant de conclure.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

Des betteraves dans l'alcool

★★★

Type évaluation : une expérience, trois documents

Document 1 - Le pigment de la betterave rouge. La couleur de la betterave rouge vient d’un pigment, la bétanine, dissous dans l’eau des vacuoles de ses cellules. Une vacuole est un compartiment de la cellule végétale, limité par une membrane. Pour sortir de la cellule, le pigment doit traverser la membrane de la vacuole, puis la membrane plasmique ; la paroi, à l’extérieur de la membrane plasmique, le laisse passer. Ces membranes sont faites de lipides, des molécules de la famille des graisses, et de protéines.

Document 2 - L’expérience. On découpe dans une betterave crue des cubes identiques, que l’on rince à l’eau. On place un cube dans chacun de six tubes contenant $10\ \text{mL}$ de liquide : de l’eau pure, ou un mélange d’eau et d’éthanol, l’alcool des boissons alcoolisées, à une proportion d’éthanol de $10\ \%$ à $50\ \%$ en volume ( $20\ \%$ en volume signifie $20\ \text{mL}$ d’éthanol pour $100\ \text{mL}$ de mélange). Au bout de 30 minutes, on retire les cubes et on mesure l’absorbance $A$ de chaque liquide avec un colorimètre : un nombre sans unité, d’autant plus grand que le liquide contient plus de pigment.

Sous chaque tube : la proportion d’éthanol du liquide (en % en volume), puis l’absorbance A mesurée au bout de 30 minutes.

Document 3 - L’éthanol dans la vie courante. Un gel hydroalcoolique pour les mains contient beaucoup d’éthanol :

Gel hydroalcoolique pour les mains

Solution hydroalcoolique · 100 mL

Composition: éthanol 70 % (v/v), eau, glycérine, épaississant
Activité: bactéricide ; virucide sur les virus enveloppés
Précautions: usage externe, ne pas avaler ; inflammable ; tenir hors de portée des enfants

« 70 % (v/v) » signifie 70 % en volume : 70 mL d’éthanol pour 100 mL de gel.

Ce gel détruit les bactéries et les virus entourés d’une enveloppe, comme celui de la grippe : cette enveloppe est un morceau de membrane, pris à la cellule que le virus a infectée. Il est moins efficace contre les virus sans enveloppe, comme les norovirus, responsables de nombreuses gastro-entérites.

Dans le sang d’une personne qui a bu de l’alcool, la proportion d’éthanol reste faible : $0{,}5\ \text{g}$ d’éthanol par litre de sang, la limite autorisée pour la plupart des conducteurs en France, correspond à environ $0{,}06\ \%$ en volume. Aux concentrations atteintes dans le sang, l’éthanol perturbe le fonctionnement de cellules, en particulier dans le cerveau et dans le foie, où il est transformé en éthanal, une molécule toxique pour les cellules.

Pourquoi rince-t-on les cubes avant l’expérience ? Quel tube sert de témoin, et à quoi sert-il ?
Décrire l’évolution de l’absorbance en fonction de la proportion d’éthanol. Que montre la valeur mesurée dans l’eau pure sur le rôle des membranes ?
Expliquer pourquoi le liquide se colore davantage quand la proportion d’éthanol augmente.
Expliquer, à l’aide des documents, pourquoi le gel hydroalcoolique détruit les bactéries et les virus à enveloppe, et pourquoi il agit moins sur les virus sans enveloppe.
Une affiche de prévention affirme : « L’alcool dissout les membranes de tes cellules. » Montrer que la proportion d’éthanol du tube à $10\ \%$ est plus de cent fois plus grande que celle du sang à $0{,}5\ \text{g/L}$ , puis discuter cette affirmation à l’aide des documents 2 et 3.

Voir le corrigé

1. Le couteau déchire les membranes des cellules coupées, à la surface du cube : leur pigment s’échappe tout de suite. Le rinçage l’élimine, pour que le pigment mesuré provienne seulement des cellules intactes.

Le témoin est le tube d’eau pure : même cube, même volume de liquide, même durée, mais sans éthanol. Il indique la quantité de pigment qui sort sans éthanol ; en comparant chaque tube à ce témoin, on mesure l’effet de l’éthanol seul.

2. Dans l’eau pure, l’absorbance est très faible, $A = 0{,}05$ : presque aucun pigment ne sort des cellules intactes. Leurs membranes retiennent le pigment : elles ne laissent pas tout passer, elles contrôlent les échanges entre la cellule et son milieu.

Jusqu’à $20\ \%$ d’éthanol, l’absorbance reste faible, inférieure à $0{,}1$ ( $0{,}06$ à $10\ \%$ , $0{,}09$ à $20\ \%$ ). À partir de $30\ \%$ , elle augmente fortement : $0{,}32$ à $30\ \%$ , $0{,}85$ à $40\ \%$ , puis $1{,}30$ à $50\ \%$ . À $50\ \%$ , elle vaut 26 fois celle du témoin :

$\dfrac{1{,}30}{0{,}05} = 26$

3. Pour colorer le liquide, le pigment doit traverser la membrane de la vacuole, puis la membrane plasmique (document 1). Si le liquide se colore, ces membranes ne le retiennent plus : l’éthanol, une molécule exogène pour la betterave, abîme les membranes, faites de lipides et de protéines. Plus la proportion d’éthanol est grande, plus les membranes sont abîmées et plus le pigment sort : l’absorbance augmente.

4. Le gel contient $70\ \%$ d’éthanol en volume, davantage que le tube à $50\ \%$ , où les membranes de la betterave laissent déjà sortir beaucoup de pigment.

Une bactérie est une cellule limitée par une membrane plasmique : le gel abîme cette membrane, la bactérie ne contrôle plus ses échanges avec son milieu et meurt.
L’enveloppe d’un virus comme celui de la grippe est un morceau de membrane : le gel l’abîme, et le virus ne peut plus infecter de cellule.
Un virus sans enveloppe n’a pas de membrane à abîmer, seulement une capside de protéines autour de son matériel génétique : cela explique que le gel agisse moins sur lui.

5. On compare les deux proportions d’éthanol :

$\dfrac{10\ \%}{0{,}06\ \%} \approx 170$

La proportion d’éthanol du tube à $10\ \%$ est donc plus de cent fois plus grande que celle du sang. Or, dans ce tube, l’absorbance vaut $0{,}06$ , presque autant que dans le témoin ( $0{,}05$ ) : à $10\ \%$ , les membranes retiennent encore le pigment. Dans le sang, la proportion d’éthanol est plus de cent fois plus faible : l’expérience ne permet pas d’affirmer que l’alcool bu dissout les membranes des cellules. Sur ce point, l’affiche exagère.

L’alcool reste pourtant un toxique pour les cellules : d’après le document 3, il perturbe le fonctionnement de cellules du cerveau et du foie, où il est transformé en éthanal, une molécule toxique. Une formulation plus juste serait : « L’alcool perturbe le fonctionnement de tes cellules, en particulier dans ton cerveau et dans ton foie. »

Réflexe à retenir : une expérience ne prouve que ce qu’elle teste. Avant d’en tirer une conclusion pour une autre situation, compare ses conditions, ici les proportions d’éthanol, à celles de cette situation.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Pour comparer deux tailles, écris-les dans la même unité, puis divise. Le quotient dit combien de fois l’une est plus grande que l’autre. Et pour savoir si un instrument montre un objet, compare sa taille au pouvoir de résolution : environ $0{,}2\ \text{µm}$ pour le microscope optique, environ $1\ \text{nm}$ pour le microscope électronique.
Pour mettre en évidence un échange, mesure et compare à un témoin. Ce qui diminue dans le milieu entre dans les cellules, ce qui augmente en sort ; le témoin, identique à une seule différence près, montre que la variation vient bien de ce qu’on teste.
Pour discuter du statut des virus, annonce tes critères. Gènes, multiplication et évolution plaident pour le vivant ; l’absence de cellule et de fonctionnement autonome, contre. La conclusion dépend des critères retenus, et la taille ne tranche rien. La carte en haut de page rassemble les autres repères du chapitre.

Exercices corrigés — Une structure complexe : la cellule vivante

Voir l'invisible

Une cellule ouverte sur son milieu