Cellules, Développement, Biodiversité et Conservation

Vous avez commencé comme une seule cellule œuf fécondée. Cette unité explique comment cette cellule s'est divisée, comment les copies ont été mélangées et réduites de moitié pour former des gamètes, comment des gènes identiques sont devenus différents tissus, et comment la diversité qui en résulte est comptée, classée et — de plus en plus — défendue. C'est l'unité des microscopes, des calculs et des définitions exécutés avec précision.

WBI12 Cellules, Développement, Biodiversité et Conservation est la deuxième unité IAS : 1 heure 30 minutes, 80 points, toutes obligatoires. Elle évalue le Sujet 3 (Structure cellulaire, Reproduction et Développement) et le Sujet 4 (Structure et fonction des plantes, Biodiversité et Conservation). Attendez-vous à des diagrammes étiquetés, des calculs de microscope et d'agrandissement, l'indice de diversité et des questions de Hardy–Weinberg, ainsi que des réponses longues sur l'évaluation de la conservation.

Une cellule eucaryote est un ensemble de compartiments spécialisés :

Les cellules s'organisent en tissus (cellules similaires), organes (tissus coopérant) et systèmes d'organes. Une cellule procaryote ne possède aucun organe membranosaire : elle a une paroi cellulaire, une capsule muqueuse, une seule molécule d'ADN circulaire ainsi que des plasmides, des ribosomes 70S, et parfois un flagelle.

L'agrandissement indique à quel point l'image est plus grande ; la résolution est la séparation minimale encore visible comme deux entités distinctes. Les microscopes optiques résolvent environ 200 nm ; les faisceaux d'électrons, de longueur d'onde bien plus courte, atteignent quelques nanomètres — mais nécessitent des coupes minces colorées (MET) ou des surfaces recouvertes d'or (MEB). $M = \text{image size} / \text{actual size}$, en veillant à l'homogénéité des unités.

Exemple résolu. Une mitochondrie mesure 14 mm sur une photographie légendée ×20 000. Longueur réelle $= 14\,000\ \mu\text{m} / 20\,000 = 0.7\ \mu$m. Un noyau dont on doit observer la double membrane nécessite un microscope électronique : les deux membranes sont situées plus près l'une de l'autre que la résolution d'un microscope optique.

La méiose correspond à deux divisions successives après une seule réplication de l'ADN, produisant quatre cellules haploïdes génétiquement différentes à partir d'une seule cellule diploïde. Deux processus créent la variabilité :

• L'assortiment indépendant — chaque paire d'homologues s'aligne et se sépare au hasard lors de la méiose I ; chaque gamète reçoit l'un de chaque paire, venant soit du père, soit de la mère au hasard ($2^n$ combinaisons).
• Le crossing-over — en prophase I, les chromatides homologues échangent des segments, mélangant les allèles au sein des paires de chromosomes.

Les gamètes mammaliens sont spécialisés pour la livraison et l'approvisionnement : le spermatozoïde porte un acrosome (enzymes digestives), une pièce intermédiaire de mitochondries et un flagelle ; l'œuf contribue à peu près tout le cytoplasme et une zona pellucida qui bloque les spermatozoïdes supplémentaires après la réaction corticale. Chez les plantes à fleurs, le tube pollinique livre deux noyaux mâles : l'un féconde l'œuf, l'autre les noyaux polaires — double fécondation.

La mitose produit deux cellules diploïdes génétiquement identiques : croissance, réparation, reproduction asexuée. L'interphase ($G_1$, S — réplication de l'ADN, $G_2$) occupe la majeure partie du cycle ; la mitose elle-même comprend la prophase (condensation des chromosomes, formation du fuseau), la métaphase (alignement des chromosomes à l'équateur), l'anaphase (faisceaux du fuseau tirant les chromatides vers les pôles), la télophase (reformation des membranes nucléaires), puis la cytokinèse.

L'index mitotique $=$ cellules en mitose $\div$ nombre total de cellules comptées. Des valeurs élevées dans une biopsie tissulaire indiquent une division rapide — un signe de cancer.

Vérification corrigée. Une préparation d'apex radiculaire montre 36 sur 450 cellules en mitose : index $= 36/450 = 0.08 = 8\%$. Si le cycle dure 20 heures, la mitose occupe $0.08 \times 20 = 1.6$ heures.

Une cellule souche totipotente peut former un organisme entier (premières divisions du zygote) ; une cellule pluripotente (blastocyste interne) peut former n'importe quel tissu mais pas l'organisme entier. La différenciation se fait par expression différentielle des gènes : chaque cellule conserve le génome complet, mais chaque type n'active que sa propre sous-ensemble. Un gène peut produire plusieurs protéines par modification post-transcriptionnelle — choix d'épissage de l'ARN pré-messager. Le phénotype final reflète aussi l'environnement (la taille nécessite à la fois des gènes et une nutrition) et, pour de nombreux traits, plusieurs gènes agissant ensemble (héritage polygénique donnant une variation continue).

Les cellules végétales ajoutent une paroi cellulosique paroi cellulaire reliée aux voisines par des plasmodesmes. Les chaînes de cellulose forment des microfibrilles dont l'agencement entrecroisé confère une résistance à la traction ; l'épaississement secondaire avec lignine renforce et imperméabilise.

L'eau et les ions importent au-delà de la boisson : le nitrate construit les acides aminés, le calcium lie croise la pectine dans les parois et signale à l'intérieur des cellules, le magnésium est au cœur de la chlorophylle — une carence jaunit les feuilles.

La classification classe la vie selon des caractéristiques partagées ; le système à trois domaines (Bactéries, Archées, Eucaryotes) repose sur des preuves moléculaires — séquences d'ARN ribosomique — qui ont révélé que les Archées sont plus proches de nous que des bactéries. Dans un habitat, la diversité a deux mesures :

• Richesse spécifique — combien d'espèces.
• Indice de diversité — $D = \dfrac{N(N-1)}{\sum n(n-1)}$, où $N$ est tous les individus et $n$ le compte de chaque espèce. Plus $D$ est élevé, plus c'est diversifié.

Vérification corrigée. Habitat A : 3 espèces avec effectifs 40, 35, 25 ($N = 100$). $D = 100 \times 99 / (40 \times 39 + 35 \times 34 + 25 \times 24) = 9900 / (1560 + 1190 + 600) = 9900/3350 = 2.96$. Habitat B : 3 espèces, effectifs 90, 6, 4 : $D = 9900/(8010 + 30 + 12) = 1.23$. Même richesse, équilibre très différent — $D$ révèle ce que la richesse seule ne montre pas.

Au sein d'une même espèce, l'indice d'hétérozygotie $H =$ (nombre d'hétérozygotes) $\div$ (nombre d'individus) mesure la variabilité génétique. Une espèce qu'on ne trouve nulle part ailleurs est endémique — et son habitat insulaire la rend à la fois précieuse et fragile.

Une niche écologique correspond au mode de vie d'une espèce : son rôle, ses exigences et ses tolérances. Les adaptations se classent en trois registres — anatomiques (fourrure épaisse), physiologiques (variantes enzymatiques) et comportementales (timing des migrations).

L'équation de Hardy-Weinberg suit les fréquences alléliques dans une grande population à reproduction aléatoire, sans sélection, migration ni mutation :

$q^2$ = fréquence du génotype homozygote récessif. Si 4 % d'une population présente le phénotype récessif, alors $q^2 = 0.04$, donc $q = 0.2$, $p = 0.8$, et les porteurs sont $2pq = 0.32$.

Vérification appliquée. Sur 500 renards, 45 sont homozygotes récessifs : $q^2 = 0.09$, $q = 0.3$, $p = 0.7$. Nombre attendu de porteurs $= 2pq \times 500 = 0.42 \times 500 = 210$.

Les questions sur la conservation exigent un équilibre. Les zoos et les banques de graines préservent les espèces contre l'extinction et organisent la reproduction en captivité, mais consomment de l'espace, font perdre les comportements naturels et concernent peu d'individus ; la protection de l'habitat et les corridors écologiques sauvegardent l'écologie à grande échelle, mais nécessitent des terrains, des fonds et une volonté politique. Il faut valoriser l'argument spécifique, et non le sentiment.

Pour la microbiologie abordée ici (et pour l'Unité 4) : cultiver des bactéries sur gélose nutritive ou en bouillon, en utilisant une technique aseptique — stériliser les inoculateurs par flamme, flamber les goulots de flacons, travailler près d'un courant ascendant, sceller les boîtes de Petri, incuber en dessous de la température corporelle humaine pour empêcher la croissance des pathogènes humains. Compter les colonies sur plaques étalées ou coulées (chaque colonie provient d'une cellule ou d'un amas : unités formant des colonies), compter les cellules avec un hématocytomètre, ou suivre la turbidité dans le bouillon.

Vérification corrigée. En phase exponentielle, la constante de croissance $k = (\log_{10} N_t - \log_{10} N_0)/(0.301 \times t)$. De $1 \times 10^4$ à $4 \times 10^7$ cellules en 4 heures : $\log$ différence $= 3.602$, soit $k = 3.602/(0.301 \times 4) \approx 3.0$ divisions par heure — environ une période de génération de 20 minutes.

1. Calculez la largeur réelle d'un noyau qui apparaît large de 24 mm à ×4 000. Donnez votre réponse en µm.
2. Nommez les deux processus de méiose qui créent une variation génétique, et précisez quand chacun a lieu.
3. Une cellule possède 2 unité arbitraire d'ADN en G1. Dessinez comment le contenu en ADN évolue au cours de la phase S, de la méiose I et de la méiose II.
4. Expliquez pourquoi toutes les cellules d'un blastocyste peuvent devenir n'importe quel tissu, mais qu'une cellule musculaire mature ne peut pas.
5. Expliquez deux manières dont le xylème s'adapte à sa fonction, une structurelle et une chimique.
6. Deux habitats contiennent chacun 5 espèce végétale. Expliquez pourquoi l'indice de diversité peut néanmoins différer entre eux.
7. Dans une population de 1 000, 16 personnes présentent une affection récessive. Calculez q, p et le nombre attendu de porteurs.
8. Une espèce d'escargot est endémique à une île unique. Expliquez pourquoi les espèces endémiques courent un risque d'extinction plus élevé.
9. Énoncez trois conditions qu'une population doit remplir pour que l'équation de Hardy-Weinberg soit valide.
10. Donnez un avantage et une limite des banques de graines par rapport à la protection de l'habitat.

Réponses : 1 $24\,000/4\,000 = 6\ \mu$m ; 2 crossing-over en prophase I, assortissement indépendant en métaphase/anaphase I (et II) ; 3 monte à 4 en phase S, diminue de moitié à 2 après méiose I, diminue de moitié à 1 après méiose II, restauré à 2 à la fécondation ; 4 les cellules du blastocyste sont pluripotentes — tous les gènes restent activables ; une cellule musculaire a désactivé définitivement d'autres voies dans des conditions normales ; 5 creux, lignifiés, cellules mortes forment des colonnes d'eau continues sans cytoplasme pour résister au flux ; la lignine imperméabilise et renforce les parois contre l'effondrement ; 6 D pondère l'uniformité d'abondance, pas seulement le nombre d'espèces ; 7 $q^2 = 0.016$, $q \approx 0.126$, $p \approx 0.874$, porteurs $2pq \approx 0.22$, environ 220 personnes ; 8 un événement local unique (tempête, maladie, prédateur introduit, perte d'habitat) élimine l'ensemble de l'espèce d'un coup ; 9 grande population, accouplement aléatoire, absence de sélection/mutation/migration ; 10 les banques de graines stockent la diversité génétique peu coûteusement et sûrement contre la perte d'habitat (avantage) mais les espèces vivent hors de leur écologie — aucune interaction, aucune évolution in situ, et la recolonisation est incertaine (limitation).