Définitions

Définition de Biologie

DÉFINITION DE BIOLOGIE

Biologie du grec bios « la vie » et logos « discours » est la science du vivant. Elle recouvre une partie des sciences de la nature et de l’histoire naturelle des êtres vivants. La vie se présentant sous de nombreuses formes et à des échelles très différentes, la biologie s’étend du niveau moléculaire, à celui de la cellule, puis de l’organisme, jusqu’au niveau de la population et de l’écosystème.

 

ÉTYMOLOGIE DE BIOLOGIE

Le terme biologie est formé par la composition des deux mots grecs bios en français « vie » et logos qui signifie « discours, parole ». Ce néologisme est créé à la fin du xviiie siècle et au début du xixe siècle et de façon indépendante :

  • en allemand par Theodor Georg August Roose en 17973, Karl Friedrich Burdach en 1800 et Gottfried Reinhold Treviranus dans son ouvrage Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, publié à Göttingen en 1804 ;
  • en françaispar le naturaliste français Jean-Baptiste de Lamarck dans ses Recherches sur l’organisation des corps vivants en 1802 :

« Tout ce qui est généralement commun aux végétaux et aux animaux comme toutes les facultés qui sont propres à chacun de ces êtres sans exception, doit constituer l’unique et vaste objet d’une science particulière qui n’est pas encore fondée, qui n’a même pas de nom, et à laquelle je donnerai le nom de biologie. »

Chez Lamarck on trouve, pour la première fois, une conception de l’être vivant qui reconnaît son originalité comparativement aux objets inanimés sans pour autant la faire déroger aux lois de la physique, contrairement à ce qu’avaient tendance à faire les vitalistes et les fixistes.

Le même Lamarck, bien avant de donner des cours de biologie en 1819, sépare dans son ouvrage Hydrogéologie, paru également en 1802, la physique terrestre en trois parties :

  • la météorologie(étude de l’atmosphère) ;
  • l’hydrogéologie(étude de la croûte minérale) ;
  • la biologie (étude des corps vivants).

Les savants allemands, à l’appel de Treviranus, lancent les méticuleux inventaires de la flore et de la faune, réalisés par ceux qui, respectivement, se nommeront botanistes et zoologistes. Vers le milieu du xixe siècle, un intérêt pour les fonctions du vivant oriente la recherche biologique vers la physiologie.

 

L’HISTOIRE DE LA BIOLOGIE

L’histoire de la biologie retrace les courants de pensée et les études sur le monde du vivant depuis la nuit des temps jusqu’à nos jours. Cependant, le terme biologie à titre de discipline distincte apparait au xixe siècle.

 

Vue générale

Pendant la Renaissance et pendant le siècle des découvertes, renaissait un intérêt dans l’empirisme aussi bien que le nombre grandissant d’organismes connus conduisaient à de signifiants développements dans la pensée biologique. Vesalius est à l’origine du développement de l’expérimentation et de l’observation en physiologie, et une série de naturalistes comme Linné et Buffon commencèrent à fonder un travail conceptuel d’analyse de la diversité du vivant et de l’archivage des fossiles, aussi bien que du développement et du comportement des plantes et des animaux.

 

 

Connaissance antique et médiévale

Débuts de la biologie mésopotamienne, chinoise et indienne

Depuis des temps très anciens, sans doute même avant l’apparition de l’homme moderne, les êtres humains se sont transmis leurs connaissances à propos des animaux et des plantes afin d’augmenter leurs chances de survie. Par exemple, ils devaient savoir comment éviter (ou parfois utiliser) les plantes et les animaux vénéneux et comment traquer, capturer, et chasser différentes espèces animales. Ils devaient de la même façon maîtriser des techniques permettant de réaliser de bons filets ou paniers. En ce sens, la biologie précède l’écriture de l’histoire de l’Homme.

L’agriculture requiert des connaissances précises sur les plantes et les animaux. Les anciennes populations orientales eurent très tôt des connaissances à propos de la pollinisation des palmier-dattiers. En Mésopotamie, la population savait que le pollen pouvait être utilisé dans la fertilisation des plantes. Un contrat commercial datant de la période Hammurabi (xviiie siècle av. J.-C.) mentionne les fleurs de datte palmier-dattier comme un article de commerce. La pratique de la sériciculture dans la culture de Yangshao (Néolithique moyen chinois (4500 à 3000 av. J.-C.) montre que les Chinois avaient déjà d’importantes connaissances en biologie à cette époque.

En Inde, des textes décrivent certains aspects de la vie des oiseaux. Les Babyloniens avaient des connaissances dans l’anatomie et la physiologie dans une certaine mesure. En Mésopotamie, des animaux étaient parfois retenus dans ce que l’on pourrait comparer aux premiers jardins zoologiques. Les Égyptiens avaient apparemment des connaissances dans l’anatomie humaine, mais n’étaient guère portés vers l’étude des animaux (il existe quelques papyrus sur la métamorphose des grenouilles) et encore moins des végétaux.

Quoi qu’il en soit, la superstition a souvent été mêlée aux faits réels. À Babylone et en Assyrie, les organes des animaux étaient utilisés pour des prédictions, et en Égypte la médecine incluait une large part de mysticisme.

 

Biologie de la Grèce antique

Dans la Grèce antique et le monde hellénistique, les érudits s’intéressaient de plus en plus à l’empirisme. Aristote fut l’un des philosophes de la nature les plus prolifiques de l’Antiquité. Malgré ses premiers travaux plutôt spéculatifs, il conduisit plus tard des recherches en biologie en se fondant sur l’observation. Il ne réalisa pas d’expérience, mais observa quelle était la réalité naturelle de chaque chose dans son propre environnement, bien que certaines soient contrôlées artificiellement. Bien qu’en physique et en chimie cette méthode ne fut pas considérée comme efficace, ce fut le contraire en zoologie et éthologie, et les travaux d’Aristote présentent un réel intérêt. Il réalisa d’innombrables observations de la nature, et particulièrement au niveau des habitats et des caractéristiques des plantes et des animaux qui vivaient près de lui, en apporter un soin considérable à les catégoriser. En tout, Aristote classifia 540 espèces animales, et en disséqua une cinquantaine environ. Aristote croyait en des buts intellectuels, les causes formelles, qui devaient guider tous les processus naturels. Ce point de vue théologique donnait à Aristote une raison pour justifier les faits qu’il observait comme l’expression d’un modèle formel. En notant qu’« aucun animal ne possède pas, en même temps, des cornes et des défenses », et « qu’il n’a jamais vu d’animal unique à deux cornes », Aristote suggère que la Nature, en ne donnant pas aux animaux des cornes et des défenses en même temps, évitait la vanité, et ne donnait aux créatures que les facultés qui avaient un caractère nécessaire. En notant que les ruminants ont de multiples estomacs et de faibles dents, il suppose que la première chose fut de compenser pour le dernier, avec une Nature qui essaie d’équilibrer la balance.

De même, Aristote pensait que les animaux pouvaient être classés selon une échelle graduée de perfection allant des plantes à l’être humain. Son système avait onze graduations représentant « le degré auquel ils étaient atteints par la potentialité », exprimés par leur forme à la naissance. Les animaux les mieux classés mettaient au monde des petits chauds et humides ; à l’inverse, ceux du bas de l’échelle donnaient naissance à des petits froids, secs, dans des œufs à la coquille épaisse. Aristote notait également que si la forme d’un être vivant reflétait son niveau de perfection, elle ne le prédéterminait pas. Selon lui, la qualité de l’âme des animaux était aussi importante. Il divisait les âmes en trois groupes : les plantes étaient dotées d’une âme végétative, qui leur permettait de se reproduire et de croître ; les animaux, d’une âme à la fois végétative et sensitive, responsable de la mobilité et des sensations ; l’homme, enfin, possédait une âme végétative, sensitive, et rationnelle, capable de pensée et de réflexion. À la différence des philosophes plus anciens, Aristote présentait le cœur comme le siège de l’âme rationnelle, plutôt que le cerveau, et séparait les sensations de la pensée (seul Alcméon de Crotone avait opéré cette séparation auparavant).

Le successeur d’Aristote au Lycée, Théophraste, écrivit une série d’ouvrages de botanique, Causes des plantes et Histoire des plantes, considérée comme la plus importante contribution durant l’antiquité en botanique, et même durant le Moyen Âge. De nombreuses dénominations apportées par Théophraste perdurent encore de nos jours, comme carpos pour les fruits, et pericarpion pour les vaisseaux conducteurs. Au lieu de se focaliser sur les causes formelles comme Aristote le faisait, Théophraste suggéra une approche mécaniste, en créant des analogies entre les processus naturels et artificiels, et en reliant le concept aristotélicien de « cause efficace ». Théophraste reconnu aussi le rôle du sexe dans la reproduction de nombreuses plantes évoluées, élément omis ou perdu dans les âges suivants.

 

Biologie hellénistique

À la suite de Théophraste, le Lycée ne parvient pas à produire un travail original. Bien qu’il y ait un intérêt pour les idées d’Aristote, celles-ci sont généralement considérées aveuglément. On trouve aussi des avancées de la biologie au-delà de l’âge d’Alexandrie sous la Dynastie des Ptolémées. Le premier professeur de médecine d’Alexandrie était Hérophile, qui a corrigé Aristote en plaçant l’origine de l’intelligence comme étant localisée dans le cerveau, et qui fit le lien entre le système nerveux, le mouvement et la sensation. Hérophile faisait déjà aussi à l’époque la différence entre les veines et les artères, notant leur lien avec le pouls alors que ses prédécesseurs non. De la même façon, il développa une technique de diagnostic qui établissait un lien entre les différents types de pouls distingables. Lui et son contemporain Érasistrate, recherchèrent le rôle des veines et nerfs, établissant leur carte à travers le corps humain.

Érasistrate va établir un lien entre la complexité croissante de la surface du cerveau humain comparée à celles des autres animaux comme étant la cause de son intelligence supérieure. Il utilisera de temps en temps des expériences pour fonder ses recherches, par exemple en répétant la pesée d’un oiseau en cage, et en notant le poids perdu entre les moments de nourrissage. En reprenant les travaux sur la respiration de son professeur, il va affirmer que la circulation sanguine humaine est contrôlée par le vide, attirant le sang dans tout le corps. Dans la physiologie de Érasistrate, l’air va entrer dans le corps, où il sera emmené vers le cœur par les poumons, où il sera transformé en esprit vital. Ce dernier sera ensuite pompé dans tout le corps par les artères. Une partie de cet esprit vital aboutira au cerveau où il sera de nouveau transformé en esprit animal, qui sera ensuite distribué par le système nerveux. Hérophile et Érasistrate vont améliorer leurs expérimentations grâce à des criminels fournis par les seigneurs ptoléméens. Ils vont disséquer vivants ces criminels, et « pendant qu’ils respiraient calmement, ils observèrent les parties que la nature a formé de façon cachée, et examinèrent leur position, couleur, forme, taille, arrangement, dureté, molesse, régularité ».

Dans l’ancienne Rome, Pline l’Ancien était connu pour ses connaissances des plantes et de la nature. Plus tard, Galien deviendra un pionnier de la médecine et de l’anatomie.

 

Période médiévale

Le déclin de l’Empire romain mena à la disparition ou la destruction d’une somme importante de connaissances. Cette période est souvent nommée la période noire. Cependant, certaines personnes travaillaient toujours en médecine ou étudiaient les plantes et les animaux. À Byzance et dans le monde islamique, la philosophie naturelle a été maintenue. Plusieurs travaux de Grecs ont été traduits en arabe et plusieurs œuvres d’Aristote ont été préservées. La contribution du biologiste arabe, al-Jahiz, mort en 868, est particulièrement notable. Il a écrit Kitab al Hayawan (Livre des animaux). Dans les années 1200, l’Allemand Albertus Magnus écrivit de vastes traités: De vegetabilibus (7 livres) et De animalibus (26 livres). Il était particulièrement intéressé par la propagation et la reproduction des plantes, il décrivit en détail la sexualité des plantes et des animaux. Il a aussi été un des professeurs de Thomas d’Aquin.

 

Biologie persique et arabe

Le golfe Persique et d’autres régions arabes jouèrent un rôle important dans le développement de la science. Basées sur les sciences grecque et indienne et connectées avec l’Europe, ces régions étaient bien situées pour participer au développement de la science. Les scientifiques les plus importants furent les Perses mais on trouve aussi des Arabes et des Turcs. Avicenne(commémoré par le genre Avicenniaceae) a joué un rôle très important en biologie et fit de nombreuses découvertes. Il est souvent considéré comme le père de la médecine moderne. Rhazes a aussi joué un rôle important et a été un grand biologiste.

 

Renaissance

De la même manière que de nombreux artistes s’intéressaient aux aspects des corps animaux et humains, les scientifiques de l’époque se sont mis à étudier la physiologie en détail. Un certain nombre de comparaisons ont été faites entre les membres inférieurs des humains et ceux des équidés (chevaux principalement). Otto Brunfels, Jérôme Bock et Leonhart Fuchs furent trois grands auteurs à propos des plantes sauvages. Ils sont aujourd’hui reconnus comme les pères de la botanique allemande. De la même façon, des ouvrages ont été écrits à propos des animaux comme ceux de Conrad Gesner, illustrés entre autres par Albrecht Dürer

 

CHRONOLOGIE DES EVÉNEMENTS SIGNIFICATIFS EN BIOLOGIE

Avant 1600

  • 500 av. J.-C. – Alcméon de Crotonefait la distinction des vaisseaux sanguins entre les veines et les artères ainsi que la découverte du nerf optique.
  • 500 av. J.-C. – Sushrutadécrit plus de 120 instruments chirurgicaux, 300 procédures chirurgicales et il classifiait la chirurgie humaine en 8 catégories. Il applique la chirurgie cosmétique.
  • 500 av. J.-C. – Xénophane examine des fossiles et donne des hypothèses sur l’évolution de la vie.
  • 350 av. J.-C. – Aristote essaye de faire un classement compréhensible d’animaux. Il écrit Historia Animalium, une biologie générale des animaux, De Partibus Animalium, une anatomie et physiologie comparatives des animaux, et De Generatione Animalium, sur la biologie de développement.
  • 320 av. J.-C. – Théophraste commence l’étude systématique de la botanique.
  • 300 av. J.-C. – Hérophile effectue une dissection du corps humain.
  • 300 av. J.-C. – Dioclès écrit le premier livre connu d’anatomie et il introduit le mot anatomie.
  • 50-70 – La Historia Naturalisde Pline l’Ancien est publiée en 37 volumes.
  • 130-200 – Claude Galien écrit un grand nombre de traités sur l’anatomie humaine.
  • 1010 – Avicennepublie son Canon de la Médicine (Kitab al-Qanun fi al-tibb).
  • 1543 – Andreas Vesalius publie le traité d’anatomie De humani corporis fabrica.

 

1600-1699

  • vers 1625 – Jan Baptist van Helmont fait sa fameuse expérience du plant d’arbre, qui démontre que la substance d’une plante est un dérivé d’eau et d’air, et à ce titre précurseur de la découverte du mécanisme de la photosynthèse.
  • 1628 – William Harvey publie An Anatomical Exercise on the Motion of the Heart and Blood in Animals (Une expérience anatomique sur le mouvement du cœur et du sang dans les animaux).
  • 1651 – William Harvey tire la conclusion que tous les animaux, y compris les mammifères, se développent à partir d’œufs, et que la génération spontanée d’un animal à partir de boue ou d’excréments est une impossibilité.
  • 1658 – Jan Swammerdam observe des cellules rouges dans le sang à l’aide d’un microscope.
  • 1663 – Robert Hooke observe sous un microscope des cellules de lièges.
  • 1668 – Francesco Redi donne une preuve contre la génération spontanée en démontrant que des asticots de mouches n’apparaissaient sur des bouts de viande dans des pots que si les pots étaient ouverts à l’air. Des pots fermés par des tranches de fromage ne contenaient pas de mouches.
  • 1672 – Marcello Malpighi publie la première description de la formation d’une poule, y compris la formation des muscles « somites », de la circulation, et du système nerveux.
  • 1674 – Les globules rouges du sang sont décrits avec précision par Antoni van Leeuwenhoek.
  • 1676 – Antoni van Leeuwenhoek observe des protozoaires et les nomme animalcules.
  • 1677 – Antoni van Leeuwenhoek observe des spermatozoïdes.
  • 1683 – Antoni van Leeuwenhoek observe des bactéries. Les découvertes de Van Leeuwenhoek reposent la question de la génération spontanée dans des microorganismes.

 

1700-1799

  • 1735 – Carl von Linné écrit son Systema Naturæ (le Système de la Nature), système de classification des êtres vivants, pas modifié depuis Aristote.
  • 1758 – 10eédition de Systema Naturæ qui introduit le système de nomenclature binominale.
  • 1767 – Kaspar Friedrich Wolff argumente que les tissus d’une poule en développement se forment de rien et ne sont pas simplement des croissances de structures préalables dans l’œuf.
  • 1768 – Lazzaro Spallanzani donne une nouvelle preuve contre la génération spontanée en démontrant qu’il ne se développe pas d’organismes dans un pain s’il est préalablement chauffé pour tuer tout organisme et est permis de refroidir dans une bouteille fermé. Il démontre aussi que la fertilisation dans les animaux exige un œuf et de la semence.
  • 1797 – Le mot « Biologie» est utilisé pour la première fois par Roose.
  • 1798 – Thomas Malthus spécule sur les rapports entre la croissance de la population humaine et la production de nourriture dans An Essay on the Principle of Population.

 

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Capsaïcine

1800-1899

  • 1801 – Jean-Baptiste Lamarck commence l’étude détaillée de la taxonomie des invertébrés.
  • 1802 – Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur) et Lamarck (Recherches sur l’organisation des corps vivants) donnent indépendamment l’un de l’autre au mot biologie son sens actuel. Le mot avait également été formé en 1800 par Karl Friedrich Burdach.
  • 1809 – Lamarck publie sa Philosophie zoologique où il propose une théorie matérialiste et mécaniste des êtres vivants et de leur évolution.
  • 1815 – Lamarck publie le premier volume de son Histoire naturelle des animaux sans vertèbres dont l’introduction constitue un résumé de la Philosophie zoologique et lui apporte quelques compléments et précisions. Le dernier volume paraîtra en 1822.
  • 1817 – Pierre Joseph Pelletier et Joseph Bienaimé Caventou réussissent l’isolement de la chlorophylle.
  • 1820 – Christian Friedrich Nasse formule la loi de Nasse: l’hémophilie se manifeste seulement chez les personnes masculines et est transféré par des personnes féminines qui restent sans symptômes.
  • 1824 –  L. Prevostet J. B. Dumas démontrent que le sperme dans la semence n’est pas des parasites, comme on pensait antérieurement, mais qu’ils apportent au contraire la conception.
  • 1826 – Karl von Baer démontre que les œufs des mammifères sont dans les ovaires, et met fin à une recherche de 200 ans des œufs des mammifères.
  • 1828 – Friedrich Woehler réussit la synthèse de l’urée, la première synthèse d’un composé organique partant de matériaux inorganiques démentant ainsi la théorie de la force vitale.
  • 1836 – Theodor Schwann découvre la pepsine dans le liquide extrait des muqueuses stomacales, le premier isolement d’une enzyme animale.
  • 1837 – Theodor Schwann démontre que l’air dûment chauffé ne cause plus de putréfaction.
  • 1838 – Matthias Schleiden émet l’hypothèse que toutes les plantes sont composées de cellules.
  • 1838 – Le mot bactérie, en latin scientifique bacterium, est forgé par le médecin allemand Ehrenberg.
  • 1839 – Theodor Schwann émet l’hypothèse que tous les tissus animaux sont composés de cellules. Schwann et Schleinden posent l’argument que les cellules sont les particules élémentaires de la vie.
  • 1856 – Louis Pasteur émet la thèse que des microorganismes sont responsables de la fermentation.
  • 1858 – Charles Darwin et Alfred Russel Wallace élaborent indépendamment l’un de l’autre un mécanisme de l’adaptation par la voie de la sélection naturelle.
  • 1858 – Rudolf Virchowémet la théorie que des cellules ne peuvent provenir que de cellules préexistantes. “Omnis cellula e cellula”, toutes les cellules à partir de cellules. La théorie cellulaire (Théorie de la Cellule) dit que tous les organismes sont composés de cellules (Schleiden et Schwann), et que des cellules proviennent d’autres cellules (Virchow).
  • 1859 – Charles Darwin publie L’origine des espèces au moyen de la sélection naturelle ou la préservation des races favorisées dans la lutte pour la vie où il expose en détail les arguments en faveur de son mécanisme de l’adaptation par la voie de la sélection naturelle. Darwin n’utilise en effet que très rarement l’expression “évolution” dans son œuvre, lui préférant “descendance par modification”.
  • 1864 – Louis Pasteur donne une preuve contre la génération spontanée de la vie cellulaire.
  • 1866 – Gregor Mendel publie les résultats de ses travaux sur les lois de l’hérédité : il démontre avec des plantes de pois que l’hérédité suit des règles déterminées. Le principe de ségrégation stipule que chaque organisme a deux gènes par caractère, qui se séparent quand l’organisme produit des œufs ou du sperme pour les animaux, des graines ou du pollen pour les végétaux. Le principe de disjonction indépendante des caractères de seconde génération indique que chaque gène d’une paire est distribué indépendamment l’un de l’autre pendant la formation des œufs ou du sperme, des graines ou du pollen. La découverte de Mendel, révolutionnaire pour la génétique, resta inaperçue, à sa grande déception.
  • 1866 – Ernst Haeckel identifie les protistes comme n’appartenant ni aux animaux, ni aux végétaux.
  • 1876 – Oskar Hertwig et Hermann Fol décrivent indépendamment l’un de l’autre (pour des œufs d’oursins de mer) l’entrée du sperme dans l’œuf et la fusion subséquente des noyaux de l’œuf et du sperme pour former un seul nouveau noyau.
  • 1877 – Frank découvre la symbiose en étudiant les lichens.
  • 1878 – De Bary observe que les cellules bactériennes n’ont pas de noyau.
  • 1878 – Sédillot invente le mot microbe.
  • 1882 – Le biologiste russe Élie Metchnihoff observe le processus de phagocytose dans les cellules mobiles de larves d’étoile de mer.
  • 1892 – Hans Driesch sépare les cellules individuelles d’un embryon d’oursin de mer de deux cellules et démontre que chaque cellule se développe en un individu complet. Par cela, il donne la preuve contre la théorie de la préformation et il démontre que chaque cellule est “totipotente,” contenant toute l’information héréditaire nécessaire pour former un individu.
  • 1898 – Martinus Beijerinck utilise des expériences de filtration pour démontrer que la maladie de la mosaïque du tabac est causée par quelque chose plus petit que la bactérie, et il appelle cela virus.

 

1900-1949

  • 1900 – Le Néerlandais Hugo de Vries, l’Allemand Carl Erich Correnset l’Autrichien Erich von Tschermak redécouvrent de façon indépendante les lois de l’hérédité établies par Gregor Mendel.
  • 1902 – Walter Suttonet Theodor Boveri, proposent indépendamment que les chromosomes sont le support de l’information héréditaire.
  • 1905 – William Bateson introduit le terme “la génétique” pour décrire l’étude de l’hérédité biologique.
  • 1906 – Mikhail Tsvet découvre la chromatographie, technique pour séparer les composés organiques.
  • 1907 – Ivan Pavlov démontre le conditionnement de la salivation d’un chien.
  • 1909 – Wilhelm Johannsen propose le mot gène.
  • 1911 – Thomas Hunt Morgan propose que les gènes sont rangés en ligne dans les chromosomes.
  • 1926 – James Sumner démontre que l’enzyme uréase est une protéine.
  • 1928 – La pénicilline, premier antibiotique, découverte par Alexander Fleming.
  • 1929 – Phoebus Levene découvre du sucre désoxyribose dans les acides nucléiques.
  • 1929 – Edward Doisy et Adolf Butenandt découvrent indépendamment l’estrone.
  • 1930 – John Howard Northrop montre que l’enzyme peptidase est une protéine.
  • 1931 – Adolf Butenandt découvre l’androstérone.
  • 1932 – Hans Adolf Krebs découvre le cycle de l’urée.
  • 1935 – Rudolf Schoenheimer utilise le deutérium comme marqueur pour examiner le système de stockage des graisses du rat.
  • 1935 – Wendell Stanley cristallise le virus de la maladie de la mosaïque du tabac.
  • 1935 – Konrad Lorenz décrit le comportement instinctif des oisillons.
  • 1937 – Hans Adolf Krebs découvre le cycle de Krebs.
  • 1937 – En génétique et en origine des espèces, Theodosius Dobzhansky applique la théorie des chromosomes et la génétique aux populations en accord avec les travaux néo Darwiniste, aussi appelé la synthèse moderne, terme inventé par Julian Huxley.
  • 1938 – Un cœlacanthe vivant est retrouvé sur la côte en Afrique du Sud.
  • 1940 – Donald Griffin et Robert Galambos annoncent la découverte du sonar des chauves-souris.
  • 1942 – Max Delbrück et Salvador Luria démontrent que la résistance bactérienne des virus est causée par des mutations aléatoires et non par un changement d’adaption.
  • 1944 – Oswald Avery montre que l’ADN porte le code génétique dans la bactérie du pneumocoque.
  • 1948 – Erwin Chargaff montre que dans l’ADN le nombre d’unités de guanine est le même que celui de cytosine et que le nombre d’unités d’adénine est égale à celui des unités de thymine.

 

1950-1999

  • 1952 – Les biologistes Américains du développement Robert Briggs et Thomas King clonent le premier mammifère en transplantant des noyaux d’embryons de la grenouille léopard dans des œufs vidés de leur noyau. Les cellules les plus développées étaient les moins aptes dans la direction du développement de l’œuf recevant.
  • 1952 – Alfred Hershey et Martha Chase démontrent que l’ADN est la matière génétique des bactériophages
  • 1952 – Fred Sanger, Hans Tuppy et Ted Thompson complètent leur analyse chromatographique de la séquence des aminoacides de l’insuline.
  • 1952 – Rosalind Franklin tire la conclusion que l’ADN est une hélice double d’un diamètre de 2 nm et avec des arêtes de phosphates de sucre à l’extérieur de l’hélice, se basant sur des études de diffraction des rayons X. Elle suppose que les deux arêtes de phosphates de sucre ont une relation spéciale entre eux.
  • 1953 – Après l’étude des résultats pas encore publiés de Franklin, James D. Watson et Francis Crick publient une structure d’hélice double pour l’ADN, avec seulement une arête de phosphates de sucre qui va dans la direction opposée de l’autre. Ils suggèrent aussi un mécanisme qui permet à la molécule de se reproduire et de servir pour transmettre l’information génétique. Leur article dans la revue Nature, combiné avec l’expérience de Hershey-Chase et les données de Chargaff sur les nucléotides donnent aux biologistes finalement la conviction que l’ADN, et pas la protéine, est la matière génétique.
  • 1953 – Max Perutz et John Kendrew déterminent la structure de l’hémoglobine par des études de diffraction des rayons X.
  • 1955 – Marianne Grunberg-Managoet Severo Ochoa découvrent le premier enzyme synthétisant des acides nucléiques (poly nucléotide phosphorylase), qui lie des nucléotides ensemble pour former des polynucléotides.
  • 1955 – Arthur Kornberg découvre des enzymes d’ADN polymérase.
  • 1958 – Matthew Stanley Meselson et Franklin W. Stahl prouvent que la réplication de l’ADN est semi-conservative dans l’expérience de Meselson et Stahl.
  • 1959 – Severo Ochoa et Arthur Kornberg reçoivent le Prix Nobel pour leurs travaux.
  • 1959 – Max Perutz décrit la structure de l’hémoglobine, la protéine qui transporte l’oxygène dans le sang.
  • 1960 – John Kendrew décrit la structure de la myoglobine, la protéine transportant l’oxygène dans la muscle.
  • 1960 – Quatre chercheurs différents (S. Weiss, J. Hurwitz, Audrey Stevens et J. Bonner) découvrent la polymérase de l’ARN bactérien qui règle la polymérisation de nucléotides sous la direction de l’ADN.
  • 1960- Juan Oro découvre que des solutions concentrées de cyanure d’ammonium dans l’eau peuvent produire l’adénine, base azotée de nucléotide.
  • 1961 – Le physiologiste de plantes Allemand  H. Matthaei ressouda le premier codon du code génétique (le codon pour l’aminoacide phénylalanine) en utilisant le système d’enzymes de Grunberg-Manago pour la préparation de polynucléotides.
  • 1961 – François Jacob et Jacques Monod formulent le « flux de l’information génétique », par lequel les gènes portés par l’ADN, sont traduits en ARN messagers qui sont utilisés par la machinerie cellulaire pour produire des protéines.
  • 1962 – Max Perutz et John Kendrew partagent le Prix Nobel pour leurs travaux sur la structure de l’hémoglobine et de la myoglobine.
  • 1965 – Le code génétique a été complètement résolu par des expériences de la méthode des essais et des erreurs.
  • 1966 – Kimishige Ishizaka découvre un nouveau type d’immunoglobuline, IgE, qui développe de l’allergie et qui explique le mécanisme de l’allergie au niveau moléculaire et cellulaire.
  • 1967 – John Gurden utilise la transplantation nucléaire pour cloner une grenouille africaine, le premier clonage d’un vertébré par l’usage d’un noyau pris d’une cellule adulte complètement développée.
  • 1968 – Fred Sanger utilise du phosphore radioactif comme traceur pour déchiffrer une séquence d’ARN de 120 bases par chromatographie.
  • 1969 – Dorothy Crowfoot Hodgkin découvre la structure tridimensionnelle de l’insuline.
  • 1970 – Hamilton Smith et Daniel Nathans découvrent des enzymes de restriction de l’ADN.
  • 1970 – Howard Temin et David Baltimore découvrent indépendamment des enzymes de transcriptase inverse.
  • 1972 – Robert Woodward synthétise la Vitamine B12.
  • 1972 – Stephen Jay Gould et Niles Eldredge proposent le nouveau concept de l'”équilibre ponctué”, qui avance que les données fossiles sont une représentation exacte du stade de l’évolution avec des périodes longues de “stase” (peu de changements) avec des périodes courtes intercalées de changements rapides et de formation de nouvelles espèces (à l’intérieur d’une lignée).
  • 1972 – Seymour Jonathan Singer et Garth L. Nicholson développent le modèle de la mosaïque fluide, qui traite de la composition de la membrane de toutes les cellules.
  • 1974 – Manfred Eigenet Manfred Sumper démontrent que des mélanges de monomères de nucléotide et de l’ARN réplicase causent la formation de molécules ARN qui peuvent répliquer, muter, et évoluer.
  • 1974 – Leslie Orgel démontre que l’ARN peut répliquer sans ARN-réplicase et que le zinc aide cette réplication.
  • 1974 – La classification cladistique fait l’objet d’un débat entre Ernst Mayr (1904-2005) et Willi Hennig (1913-1976) qui a marqué l’histoire de la systématique moderne.
  • 1977 – John Corliss, Jack Dymond, Louis Gordon, John Edmond, Richard von Herzen, Robert Ballard, Kenneth Green, David Williams, Arnold Bainbridge, Kathy Crane, et Tjeerd van Andel découvrent des communautés animales à base chimio-synthétique situées autour des cheminées hydrothermales sous-marines sur la faille des Galapagos.
  • 1977 – Walter Gilbert et Allan Maxam présentent une méthode rapide de séquençage qui utilise le clonage, le gel d’électrophorèse, la destruction chimique des bases.
  • 1977 – Frederick Sanger et Alan Coulson présentent une technique rapide de séquençage qui utilise des didésoxyribonucléotides et le gel d’électrophorèse.
  • 1978 – Frederick Sanger présente les 5386 séquences de base pour le virus PhiX174 ; premier séquençage entier d’un génome.
  • 1982 – Stanley Prusiner propose l’existence de protéines infectieuses : les prions. Son idée est très controversée par la communauté scientifique, mais il remporte le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1997.
  • 1983 – Kary Mullis invente la Polymerase Chain Reaction ou PCR, une méthode automatique pour copier des séquences d’ADN.
  • 1984 – Alec Jeffreys a conçu une méthode d’empreinte génétique.
  • 1986 – Alexander Klibanov démontre que les enzymes peuvent fonctionner dans un environnement non aqueux.
  • 1990 – Napoli, Lemieux et Jorgensen découvrent les ARN interférents dans des expériences qui ont pour but la couleur des pétunias.
  • 1995 – Publication du premier génome complet d’un organisme vivant.
  • 1996 – Dolly la brebis est le premier clone d’un mammifère adulte.

 

2000-aujourd’hui

  • 2001 – Publication de la première carte du génome complet humain.
  • 2002 – Premier virus créé « de toutes pièces », un virus artificiel de la polio qui paralyse et tue les souris.
  • 2003 – Découverte d’un premier virus géant, appelé Mimivirus.
  • 2012 – Les chercheuses Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna découvrent, dans une bactérie, une molécule nommée Crispr-Cas9 capable d’éditer l’ADN.
  • 2016 – Annonce de la découverte, au Groenland, de traces de vie microbienne dans des fossiles de stromatolithes âgés de 3,7 milliards d’années.
  • 2017 – Annonce de la découverte, en Inde, de la plus ancienne plante fossilisée connue, apparemment une algue rouge, âgée de 1,6 milliard d’années.

 

PRINCIPES FONDATEURS DE LA BIOLOGIE

Définition de l’objet

L’objet de la biologie est l’être vivant et la vie dans son ensemble et son fonctionnement. Mais qu’est-ce qu’un être vivant ? En quoi se différencie-t-il des objets inanimés et des machines ? Et qu’est-ce que la vie ? À ces questions, les biologistes n’ont actuellement pas de réponse précise qui fasse l’unanimité dans la communauté scientifique. Certain d’entre eux, et non des moindres, pensent même que ces questions sont sans objet.

Ainsi Claude Bernard, dans la première des Leçons sur les phénomènes de la vie communs aux animaux et aux végétaux (1878), déclare explicitement que l’on n’a pas à définir a priori la notion de vie, car la biologie doit être une science expérimentale ; ce serait là une définition a priori et « la méthode qui consiste à définir et à tout déduire d’une définition peut convenir aux sciences de l’esprit, mais elle est contraire à l’esprit même des sciences expérimentales ». En conséquence, « il suffit que l’on s’entende sur le mot vie pour l’employer » et « il est illusoire et chimérique, contraire à l’esprit même de la science, d’en chercher une définition absolue ».

La biologie semble être restée fidèle à cette conception, puisqu’elle continue à ne pas précisément définir la notion de vie pour se limiter à l’analyse de « choses naturelles » ou parfois en partie créées par l’humain (via la sélection puis le génie génétique) que le sens commun lui désigne comme vivants. Cette analyse permet de mettre en évidence un certain nombre de caractères communs à ces objets d’étude, et ainsi d’appliquer ce qualificatif de vivant à d’autres objets présentant les mêmes caractères. Cette méthode, exclusivement analytique et expérimentale, a considérablement renforcé l’efficacité et la scientificité du travail du biologiste, comparativement aux conceptions souvent spéculatives d’avant Claude Bernard. Elle a cependant amené une « physicalisation » telle que l’on a parfois l’impression que, pour rendre scientifique la biologie, il a fallu nier toute spécificité à son objet.

De fait, certains biologistes en viennent à déclarer que « la vie n’existe pas ! », ou plus exactement qu’elle serait un processus physico-chimique parmi d’autres.

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Le premier d’entre eux est probablement Albert Szent-Györgyi, prix Nobel de médecine en 1937, qui a déclaré :

« La vie en tant que telle n’existe pas, personne ne l’a jamais vue. »

Le plus connu est François Jacob :

« On n’interroge plus la vie aujourd’hui dans les laboratoires. On ne cherche plus à en cerner les contours. […] C’est aux algorithmes du monde vivant que s’intéresse aujourd’hui la biologie. »

Plus récemment, c’est aussi la position d’Henri Atlan :

« L’objet de la biologie est physico-chimique. À partir du moment où l’on fait de la biochimie et de la biophysique, et où l’on comprend les mécanismes physico-chimiques qui rendent compte des propriétés des êtres vivants, alors la vie s’évanouit ! Aujourd’hui, un biologiste moléculaire n’a pas à utiliser pour son travail le mot « vie ». Cela s’explique historiquement : il s’occupe d’une chimie qui existe dans la nature, dans un certain nombre de systèmes physico-chimiques particuliers, aux propriétés spécifiques, et appelés animaux ou plantes, c’est tout ! »

Cette dernière citation illustre la confusion entre l’étude de la vie et celle de la matière des êtres vivants, où transparaît la tentation de réduire la biologie à la seule biologie moléculaire en niant au vivant, grâce au nivellement que permet la chimie, toute spécificité qui ne soit pas une simple différence physico-chimique. Autrement dit, il est tentant, en réduisant la biologie à la biologie moléculaire, de ne différencier le vivant de l’inanimé que par les critères par lesquels la biologie moléculaire se différencie du reste de la chimie.

Cette négation de la spécificité du vivant vient d’une conception où l’on n’admet aucune discontinuité entre vivant et inanimé pour conserver un univers cohérent et unifié. On y admet donc une gradation progressive entre l’inanimé et le vivant, tant dans les formes actuelles (les virus, censés être à la limite du vivant et de l’inanimé) que dans l’apparition de la vie sur Terre (cette apparition y est comprise comme une phase prébiotique progressive sans discontinuité marquée). En fait, cette négation de la spécificité du vivant, qui se veut matérialiste, confond simplement le matérialisme épistémologique et les sciences de la matière. Les sciences, y compris la biologie, se doivent d’être matérialistes, personne ne dira le contraire. Mais doivent-elles pour autant n’être que des sciences de la matière ? La physique est depuis longtemps la science modèle pour toutes les autres, à tel point qu’on a fini par la confondre avec l’idéal du matérialisme épistémologique.

Parler de la notion de vie, de la spécificité de l’être vivant, c’est, en biologie, s’exposer à se voir qualifier de vitaliste, voire d’animiste, car qui s’écarte un peu de la physico-chimie est censé sortir du matérialisme épistémologique. Si bien qu’aujourd’hui on a l’impression que ce que vise la biologie n’est pas tant l’étude de la vie (ou de l’être vivant dans ce qu’il a de spécifique relativement à l’objet inanimé) que sa pure et simple négation, le nivellement et l’unification de l’univers par la physico-chimie. Comme si, pour unifier, il valait mieux nier les solutions de continuité que les comprendre.

Une autre approche est plus systémique ainsi résumée par Jacob (1970) : « Tout objet que considère la Biologie représente un système de systèmes; lui – même élément d’un système d’ordre supérieur, il obéit parfois à des règles qui ne peuvent être déduites de sa propre analyse » ; c’est une des base de l’écologie scientifique et de son « approche écosystémique ».

Le problème de la spécificité de l’être vivant n’est donc pas encore réglé par la biologie moderne qui ainsi n’a donc aucune définition claire et explicite de son objet. Ce problème est seulement occulté de diverses manières, qui toutes tendent à ramener, faute de mieux, la conception de Descartes de l’être vivant comme plus ou moins semblable à une machine très complexe. Rares sont les biologistes qui s’inscrivent en faux contre cette approximation en avançant une conception du vivant plus précise et proche de la réalité. Un certain nombre de travaux en biologie théorique visent cependant à dépasser ces limitations, tels que ceux de Francisco Varela, Robert Rosen ou Stuart Kauffman. L’enjeu est alors souvent la différence entre biologie et physique.

 

Évolution

La première théorie de l’évolution du vivant a été avancée par Jean-Baptiste Lamarck dans son ouvrage Philosophie Zoologique en 1809. Comme son titre l’indique, elle se présente sous la forme d’un système philosophique, bien qu’elle pose les bases essentielles pour la compréhension des êtres vivants et de leur évolution. Cinquante ans plus tard, en 1859, avec la parution de L’Origine des espèces, Charles Darwin propose une explication scientifique de l’évolution, sous la forme d’un mécanisme simple, avec le principe de sélection naturelle. Avec le temps, la théorie originelle de Darwin a été affinée avec les résultats des expériences et observations que les biologistes ont effectuées. La théorie faisant actuellement consensus est celle de la théorie synthétique de l’évolution, appelée aussi néo-darwinisme.

Le caractère évolutionniste de la vie a pendant très longtemps été discuté et est même encore mis en doute par certaines personnes en dehors de la communauté scientifique, mais aucune de ces objections à la théorie de l’évolution n’est scientifiquement fondée. La communauté scientifique a depuis très largement admis l’évolutionnisme de la vie comme un fait démontré par l’expérience et l’observation à maintes reprises notamment par :

  • l’examen des fossiles en paléontologie qui montre l’évolution des formes de vie à travers le temps ;
  • l’anatomie comparée qui met en évidence les similitudes morphologiques entre des animaux pourtant différents ;
  • l’hérédité qui explique les variations génétiques d’une génération à une autre ;
  • l’étude comparée du génome de plusieurs organismes qui montre l’éloignement plus ou moins important dans l’arbre phylogénétique, permettant ainsi de retracer l’évolution et l’éloignement des différentes formes de vie ;
  • la culture sélective des plantes et la domestication des animaux sont la mise en application par les humains du principe de sélection naturelle.

 

Diversité

Article détaillé : Biodiversité.

Si la biologie est si vaste, c’est en raison de l’extrême diversité du vivant qui se présente sous tellement de formes que l’on peut avoir du mal à discerner des points communs. Une hiérarchisation du vivant a tout de même été réalisée, qui est le domaine de la systématique et de la taxinomie. Tous les êtres vivants sont classés en trois domaines :

  • les bactéries;
  • les archées;
  • les eucaryotes.

 

Universalité

Bien qu’étant différentes, toutes les formes de vie partagent des caractères communs. Ce qui porte à croire que la vie sur Terre a pour origine une seule et même forme de vie, désignée sous l’acronyme de LUCA (pour l’anglais : Last universal common ancestor), qui serait apparue sur Terre il y a au moins 2,5 milliards d’années.

 

Les principaux caractères universels du vivant sont :

  • le carbone, qui de par ses caractéristiques physiques sert de « squelette » à tous les composés organiques ;
  • l’ADN et l’ARN, qui servent de support au génome et assurent la transmission de ce dernier à la descendance lors de la reproduction ;
  • la cellule qui est la plus petite unité vivante. Ce dernier point est discuté au sein de la communauté scientifique, car les virus sont considérés comme vivants par certains biologistes, alors qu’ils ne sont pas fait de cellules.

 

DOMAINES D’ÉTUDES

En raison du caractère extrêmement vaste du sujet, l’étude de la biologie nécessite un morcellement en domaines d’études. Une approche un peu « réductrice » mais ayant l’avantage de clarifier les thèmes consiste à définir des niveaux d’organisation. Dans un souci de parvenir à une compréhension plus globale de la biologie, des ponts se sont naturellement créés entre les différentes disciplines.

 

La biologie moléculaire

La biologie moléculaire (parfois abrégée bio. mol.) est une discipline scientifique au croisement de la génétique, de la biochimie et de la physique, dont l’objet est la compréhension des mécanismes de fonctionnement de la cellule au niveau moléculaire. Le terme « biologie moléculaire », utilisé la première fois en 1938 par Warren Weaver, désigne également l’ensemble des techniques de manipulation d’acides nucléiques (ADN, ARN), appelées aussi techniques de génie génétique.

La biologie moléculaire est apparue au xxe siècle, à la suite de l’élaboration des lois de la génétique, la découverte des chromosomes et l’identification de l’ADN comme support chimique de l’information génétique.

 

Histoire

La biologie moléculaire est apparue dans les années 1930, le terme n’ayant cependant été inventé qu’en 1938 par Warren Weaver. Warren Weaver était à l’époque directeur des Sciences Naturelles pour la Fondation Rockefeller et pensait que la biologie était sur le point de vivre une période de changements significatifs étant données les avancées récentes dans les domaines tels que la diffractométrie de rayons X. Il a donc investi des sommes importantes provenant de l’Institut Rockefeller dans les domaines biologiques.

Après la découverte de la structure en double hélice de l’ADN en 1953 par James Watson (1928-), Francis Crick (1916-2004), Maurice Wilkins (1916-2004) et Rosalind Franklin (1920-1958), la biologie moléculaire a connu d’importants développements pour devenir un outil incontournable de la biologie moderne à partir des années 1970.

 

Relation avec les autres sciences biologiques « à l’échelle moléculaire »

Les chercheurs en biologie moléculaire utilisent des techniques spécifiques pour la biologie moléculaire (voir plus loin Techniques de biologie moléculaire), mais les combinent de plus en plus avec les techniques et les idées provenant de la génétique et de la biochimie. Il n’y a pas de frontière bien définie entre ces disciplines, bien qu’il y en ait eu à une certaine époque. La figure ci-contre illustre une vue possible de la relation entre les domaines :

  • La biochimie est l’étude des substances chimiques et des processus vitaux qui se produisent dans les organismes vivants.
  • La génétique est l’étude des effets des différences génétiques entre les organismes. Souvent cela peut être déduit par l’absence d’un composant normal (par exemple un gène). L’étude des « mutants » — organismes dont il manque un ou plusieurs composants fonctionnels par rapport au soi-disant « type naturel » ou au phénotype Les interactions génétiques telles que les épistasies mettent souvent en défaut les interprétations simples de ces études par « élimination ».
  • La biologie moléculaire est l’étude des processus de réplication, de transcription et de traduction du matériel génétique. Le dogme central de la biologie moléculaire où le matériel génétique est transcrit en ARN, puis traduit en protéines, bien qu’il soit une image très simpliste et sans fondement de la biologie moléculaire, fournit encore un bon point de départ pour comprendre ce domaine. Cette image, cependant, doit être révisée à la lumière des nouveaux rôles qu’on découvre à l’ARN.

L’essentiel du travail en biologie moléculaire est quantitatif, et récemment beaucoup de travaux ont été faits à l’intersection de la biologie moléculaire et de l’informatique, dans la bio-informatique et dans la biologie calculatoire. Depuis les années 2000, l’étude de la structure et de la fonction des gènes, la génétique moléculaire, fait partie des sous-domaines les plus saillants de la biologie moléculaire.

De plus en plus d’autres domaines de la biologie se concentrent sur les molécules, soit directement, en étudiant leurs interactions propres comme en biologie cellulaire et en biologie du développement, soit indirectement, quand les techniques de la biologie moléculaire sont utilisées pour déduire les attributs historiques des populations ou des espèces, comme dans les domaines de la biologie de l’évolution telles que la génétique des populations et la phylogénie. Il y a également une longue tradition d’étude des biomolécules « à partir du bas » en biophysique.

 

Techniques de biologie moléculaire

Depuis la fin des années 1950 et le début des années 1960, les biologistes moléculaires ont appris à caractériser, isoler et manipuler les composants moléculaires des cellules et des organismes. Ces composants incluent l’ADN, support de l’information génétique, l’ARN, proche de l’ADN dont les fonctions vont de la copie provisoire d’ADN jusqu’aux réelles fonctions structurelles et enzymatiques et qui est une partie fonctionnelle et structurelle de l’appareil traductionnel, et les protéines, molécules structurelles et enzymatiques les plus importantes des cellules.

 

Clonage d’expressions

Une des techniques les plus élémentaires en biologie moléculaire pour étudier le rôle des protéines est le clonage d’expressions. Dans cette technique, l’ADN codant la protéine qui nous intéresse est cloné en utilisant la réaction en chaîne par polymérase (PCR en anglais pour Polymerase Chain Reaction) et/ou des enzymes de restriction dans un plasmide (qu’on appelle vecteur d’expression). Ce plasmide peut avoir des éléments de séquences promotrices spéciales pour diriger la production de la protéine en question et peut aussi avoir des marqueurs de résistance antibiotique pour aider à suivre le plasmide.

Ce plasmide peut être inséré dans des cellules, soit de bactérie, soit d’animal. Introduire de l’ADN dans des cellules bactériennes est appelé transformation, et cela peut être complété de plusieurs manières : électroporation, micro-injection, consommation passive et conjugaison. Introduire de l’ADN dans des cellules d’eucaryotes, telles que des cellules animales, est appelé transfection. Plusieurs techniques différentes de transfection sont disponibles : transfection calcium phosphate, transfection de liposomes ou lipofection, électroporation ou encore par réactifs de transfection propriétaires tels que le Fugene ou le Genecellin. L’ADN peut alors être introduit dans les cellules en utilisant des virus ou des bactéries pathogènes comme transporteurs. Dans de tels cas, la technique est appelée transduction virale/bactérienne, et les cellules sont dites transduites.

Dans les deux cas, le codage ADN pour la protéine qui nous intéresse est maintenant à l’intérieur d’une cellule, et la protéine peut maintenant s’exprimer. Une variété de systèmes, tels que des promoteurs inductibles et des facteurs spécifiques signalant les cellules, sont disponibles pour aider la protéine qui nous intéresse à s’exprimer à haut niveau. De grandes quantités de protéines peuvent alors être extraites de la cellule bactérienne ou eucaryote. La protéine peut être testée pour connaître son activité enzymatique dans une variété de situations, elle peut être cristallisée pour qu’on puisse étudier sa structure tertiaire, ou, dans l’industrie pharmaceutique, on peut étudier l’activité de nouveaux médicaments sur la protéine en question.

 

Réaction en chaîne par polymérase

La réaction en chaîne par polymérase (PCR en anglais, pour Polymerase Chain Reaction) est une technique extrêmement flexible de copie d’ADN. En gros, la PCR permet à une simple séquence d’ADN d’être copiée des millions de fois, ou d’être altérée par des moyens prédéterminés. Par exemple, la PCR peut être utilisée pour introduire des sites d’enzymes de restriction, ou pour muter (changer) des bases particulières de l’ADN. La PCR peut aussi être utilisée pour déterminer si un fragment particulier d’ADN se trouve dans une bibliothèque d’ADN complémentaires. La PCR a de nombreuses variations, comme la PCR à transcription inversée (RT-PCR en anglais pour Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction) pour l’amplification de l’ARN, et, plus récemment, la PCR temps réel qui permet des mesures quantitatives de molécules d’ADN et d’ARN.

 

Électrophorèse

L’électrophorèse est un des principaux outils de biologie moléculaire. Le principe de base est que l’ADN, l’ARN et les protéines peuvent être séparées par des champs électriques. Dans l’électrophorèse en gel d’agarose, l’ADN et l’ARN peuvent être séparés en fonction de leur taille en faisant circuler l’ADN à travers un gel d’agarose. Les protéines peuvent être séparées en fonction de leur poids en utilisant un gel SDS-PAGE. Les protéines peuvent aussi être séparées par leur charge électrique, en utilisant ce qu’on appelle un gel isoélectrique.

 

Southern blot

Nommé ainsi d’après le nom de son inventeur, le biologiste Edwin Southern, le Southern blot est une méthode pour sonder la présence d’une séquence précise d’ADN à l’intérieur d’un échantillon d’ADN. Des échantillons d’ADN avant ou après digestion par une enzyme de restriction sont séparés par électrophorèse et transférés sur une membrane par marquage via action capillaire. La membrane peut alors être testée en utilisant une sonde ADN marquée avec un complément de la séquence en question. À l’origine, la plupart des protocoles utilisaient des marqueurs radioactifs ; cependant, maintenant, il existe des possibilités de marquages non radioactifs. Le Southern blot est utilisé moins souvent dans les laboratoires, du fait que la PCR permet déjà de détecter des séquences ADN spécifiques à partir d’échantillons d’ADN. Cependant, ces marquages sont encore utilisés pour certaines applications, telles que la mesure du nombre de copies transgéniques dans les souris transgéniques, ou dans l’ingénierie de lignes de cellules souches embryonnaires à gènes invalidés.

 

Northern blot

Le northern blot est utilisé pour étudier les modèles d’expression d’un type spécifique de molécule d’ARN en comparaison relative avec un ensemble de différents échantillons d’ARN. C’est essentiellement une combinaison d’une dénaturation d’électrophorèse d’ARN, et d’un blot. Dans ce processus, l’ARN est séparé en fonction de la taille, puis est transféré sur une membrane qui est alors sondée avec un complément marqué pour la séquence intéressante. Les résultats peuvent être visualisés d’une variété de façons selon le marquage utilisé ; cependant, la plupart conduisent à une révélation de bandes représentant la taille de l’ARN détecté dans l’échantillon. L’intensité de ces bandes est liée à la quantité d’ARN ciblé dans les échantillons analysés. Le procédé est utilisé généralement pour étudier quand et combien d’expressions de gènes se produisent en mesurant la quantité de cet ARN présent dans les différents échantillons. C’est un des outils les plus fondamentaux pour déterminer quand certains gènes s’expriment dans les tissus vivants.

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Western blot

Séparation des protéines par électrophorèse SDS-PAGE uniquement en fonction de leur poids (le SDS, ou sodium dodécylsulfate, dénature les structures tertiaire et quaternaire des protéines et les charge toutes négativement), puis transfert des protéines séparées sur membrane pour les rendre accessibles à divers marquages immunologiques ou autres.

Les anticorps pour la plupart des protéines peuvent être créés par injection de petites quantités de protéine cible dans les animaux tels que la souris, le lapin, le mouton ou l’âne (anticorps polyclonaux) ou produits dans une culture de cellules (anticorps monoclonaux). Ces anticorps peuvent être utilisés dans une variété de techniques analytiques et préparatives.

Dans le western blot (immunobuvardage), les protéines sont d’abord séparées en fonction de leur poids, dans un gel fin pris entre deux plaques de verre par une technique qu’on appelle SDS-PAGE (pour Sodium Dodecyl Sulphate Poly-Acrylamide Gel Electrophoresis). Les protéines dans le gel sont alors transférées sur un PVDF, nitrocellulose, nylon ou autre membrane de support. Cette membrane peut alors être sondée avec des solutions d’anticorps. Les anticorps qui s’attachent spécifiquement à la protéine en question peuvent alors être visualisés selon une variété de techniques, dont la colorimétrie, la chimiluminescence ou l’autoradiographie.

Des méthodes analogues de western blot peuvent aussi être utilisées pour marquer directement des protéines spécifiques dans des cellules et des sections de tissus. Cependant, ces méthodes de marquages immunologiques sont plutôt associées à la biologie cellulaire qu’à la biologie moléculaire.

Les termes western et northern sont des jeux de mots : les premiers blots étaient sur l’ADN, et comme ils ont été faits par Edwin Southern, ils ont pris le nom de Southern (southern veut dire « du sud » en anglais ; tandis que western signifie « de l’ouest » et northern, « du nord »). Il est peu probable que Patricia Thomas, inventrice du blot ARN, qui est devenu le northern blot, utilise vraiment ce terme1. Pour pousser la plaisanterie plus loin, on peut trouver, dans la littérature, des références vers des south-westerns (« du sud-ouest ») (interactions protéine-ADN) et des far-westerns (du « far-ouest ») (interactions protéine-protéine).

 

Puce à ADN

Une puce à ADN, aussi appelée microarray, est une collection de milliers de puits microscopiques sur un support solide tel qu’une lame de microscope; chaque puits contient un grand nombre de fragments d’ADN identiques qui permet de mesurer l’expression d’un gène particulier par complémentarité de séquence avec ARN correspondant. Les puces permettent ainsi de connaitre le transcriptome, c’est-à-dire l’ensemble des gènes transcrit à un moment donné dans un groupe de cellules données.

Il y a plusieurs manières différentes de fabriquer des puces à ADN ; les plus courantes sont les puces à silicium, lames de microscope dont les taches ont 100 microns de diamètre, les puces qu’on peut adapter à ses besoins, et celles avec des taches plus grosses sur des membranes poreuses (macropuces).

Les puces peuvent aussi être fabriquées pour des molécules autres que l’ADN. Par exemple, une puce à anticorps peut être utilisée pour déterminer quelle protéine ou bactérie est présente dans un échantillon de sang.

 

Technologie abandonnée

Au fur et à mesure que de nouvelles procédures et de nouvelles technologies sont devenues disponibles, les anciennes sont rapidement abandonnées. Des exemples typiques sont les méthodes pour déterminer la taille des molécules d’ADN. Avant l’électrophorèse, avec agarose et polyacrylamide, on calculait la taille de l’ADN par sédimentation dans des gradients sucrés, une technologie lente et laborieuse nécessitant une instrumentation coûteuse ; et avant les gradients sucrés, on utilisait la viscométrie.

Indépendamment de leur intérêt historique, il est intéressant de connaître les anciennes techniques car cela peut être utile pour résoudre des problèmes particuliers.

 

Liste de quelques biologistes moléculaires connus

  • Francis Crick
  • James D. Watson
  • Maurice Wilkins
  • Erwin Chargaff
  • Rosalind Franklin
  • Max Perutz
  • Susumu Tonegawa
  • Christiane Nüsslein-Volhard
  • Frederick Sanger
  • François Jacob
  • Jacques Monod
  • Grete Kellenberger-Gujer

 

 

BIOLOGIE CELLULAIRE

La biologie cellulaire (anciennement appelée cytologie) est une discipline scientifique qui étudie les cellules, du point de vue structural et fonctionnel, et les utilise pour des applications en biotechnologie.

Elle s’intéresse à l’écosystème cellulaire, c’est-à-dire à l’équilibre dynamique et auto-régulé des fonctions cellulaires, dans un contexte normal ou perturbé. Le champ de la biologie cellulaire concerne une multitude de réactions chimiques coordonnées et de mécanismes fins de régulation entre des millions de constituants micro et nanoscopiques. Ces constituants assurent durablement l’architecture et le fonctionnement de la cellule1.

La pratique de la biologie cellulaire implique aussi bien la mise en œuvre de techniques simples, artisanales, que de technologies complexes du point de vue des procédés et des équipements. Selon la nature de l’élément cellulaire étudié (par exemples : ADN, ARN, protéine, complexe protéique, métabolite, organite, membrane…) et selon les fonctions cellulaires analysées (déplacement, métabolisme, morphologie, activité enzymatique, voie de signalisation, santé cellulaire…) différentes technologies sont choisies.

On notera que la connaissance grandissante en biologie (en parallèle d’avancées technologiques spectaculaires) associe aujourd’hui, et même parfois confond, les notions de biologie cellulaire et de biologie moléculaire, réunies alors dans l’expression « biologie cellulaire et moléculaire ».

 

Histoire

Avant la période de la Renaissance, il était difficile d’imaginer l’existence d’organismes vivants trop petits pour être vus à l’œil nu, ou de croire qu’ils pouvaient porter atteinte à des hôtes de grande taille, tout comme il était difficile d’imaginer que les êtres vivants puissent être composés de cellules. De manière générale, l’existence de microorganismes a été niée jusqu’en 1677 lorsqu’ils furent vus et décrits par Antoni van Leeuwenhoek (1632 – 1723), un marchand de draps à Delft (Pays-Bas), qui n’avait aucune formation scientifique mais une grande patience et une grande curiosité. Il réussit à obtenir de forts grossissements (X 300) grâce à un microscope simple composé d’une seule petite lentille presque sphérique. Dans ses lettres publiées par The Royal Society of London, il décrivait un tout nouveau monde, auparavant invisible, comprenant des « animalcules » (reconnus maintenant comme bactéries et protozoaires) dont la mobilité montrait qu’ils étaient vivants.

D’autre part, la cellule fut découverte par l’anglais Robert Hooke (1635-1703) en 1665. Il observa des fines tranches de liège à l’aide d’un simple verre grossissant et remarqua ainsi sa structure en petites . Il nomma ces cases cellula, car elles lui faisaient penser à des cellules de moines. Le terme, à la base latin, donna cell en anglais et cellule en français. On peut noter que les cellules qu’observa Robert Hooke étaient des cellules mortes et vidées de leur contenu.

La biologie cellulaire était née avec l’invention du premier microscope optique (photonique) par Antoni van Leeuwenhoek.

L’étude des microorganismes (dont les bactéries) ne devint réellement accessible qu’avec le développement d’un microscope optique composé (multilentilles) efficace vers les années 1825.

Rudolf Virchow (1821-1902), physiologiste allemand est l’auteur de l’adage « omni cellula e cellula », ou comme il le publie en 1858 dans Cellularpathologie « Là où apparaît une cellule, il doit y avoir eu une autre cellule auparavant » « Tout animal apparaît comme la somme d’unités vitales dont chacune porte en elle tous les caractères de la vie. »

La cellule est donc une enceinte séparée de l’extérieur par une membrane capable de filtrer sélectivement les échanges.

Jusqu’au xixe siècle, les organismes vivants étaient classés comme animaux ou végétaux selon des différences évidentes de forme et de constitution, qui dérivent de différences fondamentales dans leur mode de nutrition.

 

Technologies utilisées

Selon la structure cellulaire observée et la fonction cellulaire étudiée, des procédures et des matériels très variés sont employés :

Pour la culture cellulaire : milieux de culture, contenants, incubateurs, systèmes de régulation des paramètres physico-chimiques du milieu, surfaces en contact avec les cellules, cultures adhérentes et en suspension2

Pour l’analyse de l’ADN : purification, southern blot, PCR, cytogénétique, puce à ADN (biopuce)…

Pour l’analyse de l’ARN : purification, northern blot, RT-PCR, RT-qPCR, transcription in vitro, ARN interférence, puce à ARN (transcriptomique)…

Pour l’analyse des protéines: purification, ELISA, immunohistochimie, western blot, co-immunoprécipitation…

Pour l’analyse des métabolites : plusieurs technologies de séparation et de détection.

Pour l’analyse des organites : purification, immunohistochimie, essais enzymatiques…

Pour l’analyse des membranes : purification, technologies spécifiques des fonctions associées (ex. patch-clamp).

Pour l’analyse du déplacement (migration, invasion, adhésion, haptotaxie…) : tests spécifiques utilisant souvent la microscopie.

Pour l’analyse de la santé cellulaire (cycle cellulaire, cytotoxicité, apoptose, génotoxicité, sénescence, stress oxydant…): nombreux tests spécifiques.

On notera que différents types de microscopes et de cytomètres sont utilisés pour l’analyse de la quasi-totalité des structures cellulaires listées précédemment.

Par ailleurs, d’autres technologies du domaine de l’ingénierie cellulaire3 peuvent être mises à profit en Biologie Cellulaire : ADN recombinant, mutagenèse, transfert de gènes, gène rapporteur, transfert de protéines, etc.

 

Structure du vivant

Les domaines étudiant la structure du vivant sont à l’échelle de l’atome pour la biologie moléculaire et de la cellule pour la biologie cellulaire.

Le domaine de la biologie moléculaire étudie les composés de bases du vivant, comme l’ADN et les protéines. Pendant longtemps, on a cru que les lois de la chimie régissant le vivant étaient différentes de celles pour la matière inanimée. Mais depuis la synthèse de nombreux composés organiques, il est clairement admis que les lois chimiques sont les mêmes que pour la matière inorganique. Aucune force vitale n’insuffle la vie à la matière comme on le pensait avant avec la théorie vitaliste.

La mise au point du microscope avec lequel Robert Hooke a découvert les cellules en 1665 a marqué la naissance de la biologie cellulaire et celle d’un monde alors insoupçonné. Cette découverte et les nombreuses qui ont suivi ont permis d’expliquer certains phénomènes comme ce que l’on qualifiait à l’époque de génération spontanée. C’est à cette échelle que l’on rencontre les premiers organismes vivants.

 

Anatomie

L’anatomie est la science qui décrit la forme et la structure des organismes vivants et de leurs parties (organes, tissus). On peut notamment distinguer l’anatomie animale (et en particulier l’anatomie humaine, très importante en médecine) et l’anatomie végétale (qui est une branche de la botanique).

 

Les différentes branches

  • Anatomie animale:
    • Anatomie des invertébrés, dont anatomie des arthropodeset des insectes
    • Anatomie des vertébrés, dont anatomie humaine, anatomie des poissons, et anatomie des oiseaux
  • Anatomie végétale
  • Anatomie comparée versus anatomie normale
  • Histologie(anatomie microscopique versus anatomie macroscopique)
  • Anatomie pathologique
  • Anatomie fonctionnelle versus anatomie descriptive
  • Anatomie topographique : étude des dispositions, des rapports des différents organes entre eux (anatomie appliquée à la pratique chirurgicale, par exemple)1.
  • Anatomie radiologique ou imagerie anatomique : étude des images de structures internes obtenues par appareillage technique.
  • Anatomie du développement
  • Anatomie artistique
  • Anatomie des mensurations
  • Ostéologie

Diversité et évolution

L’extrême diversité du vivant n’empêche en rien le groupement en entités ou taxons (Taxinomie), leurs relations les uns par rapport aux autres et leur classement (systématique).

 

Interactions

Les interactions des êtres vivants entre eux et les liens les unissant avec leur environnement est le domaine de l’écologie. L’éthologie quant à elle étudie le comportement animal dans le milieu naturel.

 

NIVEAUX D’OBSERVATION ET DISCIPLINES

Les Sciences de la Vie comprennent de nombreuses disciplines et sous-disciplines plus ou moins reliées entre elles et parfois imbriquées. Ces disciplines sont organisées soit par niveau d’observation, soit par approche méthodologique, soit par type d’organisme étudié.

 

Niveau d’observation moléculaire

Exemple : molécules biologiques : protéines, ADN, ARN

Disciplines :  chimie organique, biochimie, biologie moléculaire

 

Niveau d’observation microscopique

Exemple : composants de la cellule (organites), cellules, organismes unicellulaires, tissus, organes

Disciplines :  biologie cellulaire, cytologie, microbiologie,  histologie,  physiologie

 

Niveau d’observation macroscopique

Exemple : organismes, individus

Disciplines :  biologie des organismes, anatomie, éthologie

 

Niveau d’observation de la population

Exemple : colonies, populations, méta-populations

Disciplines :  biologie des populations, génétique des populations

 

Niveau d’observation spécifique

Exemple : espèce

Disciplines :  taxinomie, phylogéographie, etc.

 

Niveau d’observation supra-spécifique

Exemple : groupes d’espèces, écosystèmes, évolution humaine

Disciplines :  systématique, écologie, phylogénie

 

APPLICATIONS DE LA BIOLOGIE

Les applications des découvertes en biologie sont nombreuses et très présentes dans le quotidien de l’être humain. Les avancées importantes de ces dernières décennies en médecine ont principalement pour origine les découvertes sur le fonctionnement du corps humain. Le domaine pharmaceutique profite également des avancées en chimie organique.

Plus récemment, la découverte de la structure de l’ADN et une meilleure compréhension de l’hérédité ont permis de modifier finement les êtres vivants et trouvent des applications dans les domaines agricole et agro-alimentaire.

La biologie peut également avoir des applications en criminologie. Dans la Revue française de criminologie et de droit pénal, Laurent Lemasson présente trois corrélations entre biologie et criminalité mises en évidence par différents chercheurs: la présence des gènes MAOA et HTR2B chez une part importante de criminels; un fonctionnement anormal des régions frontales et temporales du cerveau; enfin un état de sous-excitation physiologique chez les criminels multirécidivistes.

 

IMPACTS SUR LA SOCIÉTÉ

Depuis le développement de la biologie moléculaire et de la physiologie cellulaire dans la seconde partie du xxe siècle, les progrès de la biologie sont devenus quotidiens et ont un impact énorme sur la société : compréhension des mécanismes moléculaires de plusieurs centaines de maladies, amélioration des traitements contre le cancer, compréhension des mécanismes neurologiques, amélioration des traitements des maladies mentales et dépistage de tares génétiques in utero. Une meilleure compréhension de l’évolution moléculaire, substrat physique à l’évolution des espèces, permet de transposer aux humains les découvertes faites sur les animaux, y compris des vers comme C. elegans ou la mouche drosophile, dont on a montré que les mécanismes moléculaires de segmentation du corps au cours de l’embryogenèse sont identiques à ceux de l’humain, et, de manière générale, à tout le vivant métazoaire.

Toutefois, les progrès très rapides de la biologie suscitent parfois des interrogations philosophiques, de vives inquiétudes, voire une forte opposition de certaines associations ou organisations non gouvernementales (ONG). Citons notamment : le clonage, les organismes génétiquement modifiés (OGM), le séquençage, et les problèmes de propriété intellectuelle qui en découlent.

 

NOTES ET RÉFÉRENCES

  1. Cet article est partiellement issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « History of biology » (voir la liste des auteurs).
  2. Chain of Being, sur le site du Dictionnaire de l’histoire des idées de l’Université de Virginie
  3. J. W. Barber, Prehistoric textiles: the development of cloth in the Neolithic and Bronze Ages with special reference to the Aegean, Princeton University Press, 1992,
  4. Jean-Claude Laberche, Biologie végétale, Dunod, 2010
  5. Mason, A History of the Sciences
  6. Annas, Classical Greek Philosophy
  7. Mason, A History of the Sciences
  8. Aristote, De Anima II
  9. Guthrie, A History of Greek Philosophy
  10. Barnes, Hellenistic Philosophy and Science
  11. Martin S. Fisher & Pascal Tassy, « Analyse cladistique : le débat Mayr-Hennig de 1974 », Biosystema, n°29, Editions matériologiques, 2014,
  12. Allen P. Nutman, Vickie C. Bennett, Clark R. L. Friend, Martin J. Van Kranendonk et Allan R. Chivas, « Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures », Nature,‎ 31 août 2016
  13. David Larousserie, « Les plus anciennes traces de vie découvertes au Groenland », Le Monde.fr,‎ 31 août 2016
  14. Stefan Bengtson, Therese Sallstedt, Veneta Belivanova & Martin Whitehouse, “Three-dimensional preservation of cellular and subcellular structures suggests 1.6 billion-year-old crown-group red algae”, PLOS Biology, March 14, 2017.
  15. « Découverte de la plus ancienne plante fossilisée connue », sur fr, Sciences et Avenir, 14 mars 2017
  16. Patricia S. Thomas, « Hybridization of denatured RNA and small DNA fragments transferred to nitrocellulose » (1980).
  17. Joël de Rosnay, « The Macroscope » sur Principia Cybernetica
  18. Culture of Animal Cells, a Manual of Basic Technique, R. Ian Freshney, publié par Alan R.Liss, Inc, Seconde Édition 1987
  19. Animal Cell Biotechnology, Methods and Protocols, édité par Nigel Jenkins, Humana Press
  20. Manuila, Dictionnaire français de médecine et de biologie, t. 1, Masson, 1970

 

SOURCES

Image Wikipédia
https://fr.wikipedia.org

 

 

 

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