Une cellule est la plus petite unité d'un être vivant. Un être vivant, qu'il soit constitué d'une seule cellule (comme une bactérie) ou de plusieurs cellules (comme un être humain), est appelé un organisme. Ainsi, les cellules sont les éléments de base de tous les organismes.

Plusieurs cellules d'un même type qui s'interconnectent les unes avec les autres et remplissent une fonction commune forment des tissus, plusieurs tissus se combinent pour former un organe (votre estomac, votre cœur ou votre cerveau), et plusieurs organes constituent un système d'organes (comme le système digestif, le système circulatoire ou le système nerveux). Plusieurs systèmes qui fonctionnent ensemble forment un organisme (comme un être humain). Nous examinerons ici la structure et la fonction des cellules.
Il existe de nombreux types de cellules, tous regroupés dans l'une des deux grandes catégories suivantes : procaryotes et eucaryotes. Par exemple, les cellules animales et végétales sont classées dans la catégorie des cellules eucaryotes, tandis que les cellules bactériennes sont classées dans la catégorie des procaryotes. Avant de discuter des critères permettant de déterminer si une cellule est procaryote ou eucaryote, examinons d'abord comment les biologistes étudient les cellules.

Microscopie

La taille des cellules varie. À quelques exceptions près, les cellules individuelles ne peuvent pas être vues à l'œil nu. Les scientifiques utilisent donc des microscopes (micro = "petit" ; -scope = "à regarder") pour les étudier. Un microscope est un instrument qui agrandit un objet. La plupart des photographies de cellules sont prises avec un microscope, et ces images peuvent également être appelées micrographies.
L'optique des lentilles d'un microscope modifie l'orientation de l'image que l'utilisateur voit. Un spécimen qui est à l'endroit et tourné vers la droite sur la lame du microscope apparaîtra à l'envers et tourné vers la gauche lorsqu'il sera vu au microscope, et vice versa. De même, si la lame est déplacée vers la gauche en regardant dans le microscope, elle semblera se déplacer vers la droite, et si elle est déplacée vers le bas, elle semblera se déplacer vers le haut. Cela se produit parce que les microscopes utilisent deux jeux de lentilles pour agrandir l'image.

En raison de la manière dont la lumière traverse les lentilles, ce système de deux lentilles produit une image inversée (les binoculaires, ou microscopes à dissection, fonctionnent de manière similaire, mais comprennent un système de grossissement supplémentaire qui fait que l'image finale semble être droite).

Microscopes optiques

Pour vous donner une idée de la taille des cellules, un globule rouge humain typique mesure environ huit millionièmes de mètre ou huit micromètres (en abrégé : huit μm) de diamètre ; la tête d'une épingle mesure environ deux millièmes de mètre (deux mm) de diamètre. Cela signifie qu'environ 250 globules rouges pourraient tenir sur la tête d'une épingle.

La plupart des microscopes d'étudiants sont classés comme microscopes légers. La lumière visible passe et est pliée à travers le système de lentilles pour permettre à l'utilisateur de voir l'échantillon. Les microscopes lumineux sont avantageux pour observer les organismes vivants, mais comme les cellules individuelles sont généralement transparentes, leurs composants ne peuvent être distingués que s'ils sont colorés avec des teintures spéciales. La coloration, cependant, tue généralement les cellules.
Les microscopes lumineux couramment utilisés dans les laboratoires des universités de premier cycle grossissent jusqu'à environ 400 fois. Deux paramètres importants en microscopie sont le grossissement et le pouvoir de résolution. Le grossissement est le processus d'agrandissement d'un objet en apparence. Le pouvoir de résolution est la capacité d'un microscope à distinguer deux structures adjacentes comme étant distinctes : plus la résolution est élevée, plus la clarté et les détails de l'image sont meilleurs. Lorsque des lentilles à immersion d'huile sont utilisées pour l'étude de petits objets, le grossissement est généralement multiplié par 1 000. Afin de mieux comprendre la structure et la fonction des cellules, les scientifiques utilisent généralement des microscopes électroniques.

(a) La plupart des microscopes lumineux utilisés dans un laboratoire de biologie universitaire peuvent agrandir les cellules jusqu'à environ 400 fois et ont une résolution d'environ 200 nanomètres. (b) Les microscopes électroniques offrent un grossissement beaucoup plus important, 100 000 fois, et ont une résolution de 50 picomètres. (crédit a : modification du travail par "GcG"/Wikimedia Commons ; crédit b : modification du travail par Evan Bench)

Microscopes électroniques

Contrairement aux microscopes lumineux, les microscopes électroniques (b) utilisent un faisceau d'électrons au lieu d'un faisceau de lumière. Cela permet non seulement d'obtenir un grossissement plus important et donc plus de détails, mais aussi un pouvoir de résolution plus élevé. La méthode utilisée pour préparer l'échantillon à l'observation au microscope électronique tue l'échantillon. Les électrons ont des longueurs d'onde courtes (plus courtes que les photons) qui se déplacent mieux dans le vide, de sorte que les cellules vivantes ne peuvent pas être observées au microscope électronique.
Dans un microscope électronique à balayage, un faisceau d'électrons se déplace d'avant en arrière sur la surface d'une cellule, créant ainsi des détails sur les caractéristiques de la surface de la cellule. Dans un microscope électronique à transmission, le faisceau d'électrons pénètre dans la cellule et fournit des détails sur les structures internes de la cellule. Comme vous pouvez l'imaginer, les microscopes électroniques sont nettement plus encombrants et plus chers que les microscopes optiques.

(a) Ces bactéries Salmonella apparaissent sous la forme de minuscules points violets lorsqu'on les observe au microscope optique. (b) Ce micrographe de microscope électronique à balayage montre les bactéries Salmonella (en rouge) envahissant les cellules humaines (en jaune). Même si la figure (b) montre un spécimen de Salmonella différent de celui de la figure (a), vous pouvez toujours observer l'augmentation comparative du grossissement et des détails. (crédit a : modification des travaux du CDC/Institut de pathologie des forces armées,
Charles N. Farmer, Rocky Mountain Laboratories ; crédit b : modification des travaux par le NIAID, NIH ; données de la barre d'échelle de Matt Russell)

Théorie de la cellule

Les microscopes que nous utilisons aujourd'hui sont beaucoup plus complexes que ceux utilisés dans les années 1600 par Antony van Leeuwenhoek, un commerçant néerlandais qui avait une grande compétence dans la fabrication des lentilles. Malgré les limites de ses lentilles désormais anciennes, van Leeuwenhoek observait les mouvements des protistes (un type d'organisme unicellulaire) et des spermatozoïdes, qu'il appelait collectivement "animalcules".
Dans une publication de 1665 intitulée Micrographia, le chercheur Robert Hooke a inventé le terme "cellule" pour désigner les structures en forme de boîte qu'il observait en regardant le tissu de liège à travers une lentille. Dans les années 1670, van Leeuwenhoek a découvert des bactéries et des protozoaires. Les progrès ultérieurs en matière de lentilles, de construction de microscopes et de techniques de coloration ont permis à d'autres scientifiques de voir certains composants à l'intérieur des cellules.
À la fin des années 1830, le botaniste Matthias Schleiden et le zoologiste Theodor Schwann étudiaient les tissus et ont proposé la théorie de la cellule unifiée, selon laquelle tout être vivant est composé d'une ou plusieurs cellules, la cellule est l'unité de base de la vie, et de nouvelles cellules naissent des cellules existantes. Rudolf Virchow a par la suite apporté d'importantes contributions à cette théorie.

D'après: Studying Cells.