Informations

W2018_Bis2A_Lecture02_reading - Biologie

W2018_Bis2A_Lecture02_reading - Biologie



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Structure cellulaire des bactéries et des archées

Dans cette section, nous discuterons des caractéristiques structurelles de base des bactéries et des archées. Les bactéries et les archées n'ont pas de noyau lié à la membrane et d'organites liées à la membrane, qui sont les caractéristiques des eucaryotes.

Alors que les bactéries et les archées sont des domaines distincts, morphologiquement, elles partagent un certain nombre de caractéristiques structurelles. En conséquence, ils sont confrontés à des problèmes similaires, tels que le transport des nutriments dans la cellule, l'élimination des déchets de la cellule et la nécessité de répondre aux changements environnementaux locaux rapides. Dans cette section, nous nous concentrerons sur la façon dont leur structure cellulaire commune leur permet de prospérer dans divers environnements et leur impose simultanément des contraintes. L'une des plus grandes contraintes est liée à la taille des cellules.

Bien que les bactéries et les archées se présentent sous différentes formes, les trois formes les plus courantes sont les suivantes : cocci (sphériques), bacilles (en forme de bâtonnet) et spirilles (en forme de spirale) (figure ci-dessous). Les bactéries et les archées sont généralement petites par rapport aux eucaryotes typiques. Par exemple, la plupart des bactéries ont tendance à avoir un diamètre de l'ordre de 0,2 à 1,0 µm (micromètres) et une longueur de 1 à 10 µm. Cependant, il existe des exceptions. Epulopiscium fishelsoni est une bactérie en forme de bacille qui mesure généralement 80 µm de diamètre et 200 à 600 µm de long. Thiomargarita namibiensis est une bactérie sphérique d'un diamètre compris entre 100 et 750 µm et visible à l'œil nu. A titre de comparaison, un neutrophile humain typique a un diamètre d'environ 50 µm.

Figure 1. Cette figure montre les trois formes les plus courantes de bactéries et d'archées : (a) les cocci (sphériques), (b) les bacilles (en forme de bâtonnet) et (c) les spirilles (en forme de spirale).

Une question de réflexion :

Une question qui me vient à l'esprit est pourquoi les bactéries et les archées sont-elles généralement si petites ? Quelles sont les contraintes qui les maintiennent microscopiques ? Comment des bactéries telles que Epulopiscium fishelsoni et Thiomargarita namibiensis surmonter ces contraintes ? Pensez aux explications ou hypothèses possibles qui pourraient répondre à ces questions. Nous allons explorer et développer une compréhension de ces questions plus en détail ci-dessous et en classe.

La cellule bactérienne et archéenne : des structures communes

Introduction à la structure cellulaire de base

Les bactéries et les archées sont des organismes unicellulaires, dépourvus de structures membranaires internes qui sont déconnectées de la membrane plasmique, une membrane phospholipidique qui définit la frontière entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. Chez les bactéries et les archées, la membrane cytoplasmique contient également toutes les réactions liées à la membrane, y compris celles liées à la chaîne de transport d'électrons, à l'ATP synthase et à la photosynthèse. Par définition, ces cellules n'ont pas de noyau. Au lieu de cela, leur matériel génétique est situé dans une zone auto-définie de la cellule appelée nucléoïde. Le chromosome bactérien et archéen est souvent une seule molécule d'ADN double brin circulaire fermée de manière covalente. Cependant, certaines bactéries ont des chromosomes linéaires, et certaines bactéries et archées ont plus d'un chromosome ou de petits éléments de réplication circulaires non essentiels de l'ADN appelés plasmides. Outre le nucléoïde, la prochaine caractéristique commune est le cytoplasme (ou cytosol), la région "aqueuse" ressemblant à une gelée englobant la partie interne de la cellule. Le cytoplasme est l'endroit où se produisent les réactions solubles (non associées à la membrane) et contient les ribosomes, le complexe protéine-ARN où les protéines sont synthétisées. Enfin, de nombreuses bactéries et archées ont également des parois cellulaires, la caractéristique structurelle rigide entourant la membrane plasmique qui aide à protéger et à restreindre la forme de la cellule. Vous devriez apprendre à créer de mémoire une esquisse simple d'une cellule bactérienne ou archéenne générale.

Figure 2. Les caractéristiques d'une cellule procaryote typique sont montrées.

Contraintes sur la cellule bactérienne et archéenne

Une caractéristique commune, presque universelle, des bactéries et des archées est qu'elles sont petites, microscopiques pour être exact. Même les deux exemples donnés comme exceptions, Epulopiscium fishelsoni et Thiomargarita namibiensis, toujours confrontées aux contraintes de base que toutes les bactéries et archées affrontent ; ils ont simplement trouvé des stratégies uniques autour du problème. Alors, quelle est la plus grande contrainte lorsqu'il s'agit de gérer la taille des bactéries et des archées ? Pensez à ce que la cellule doit faire pour survivre.

Quelques exigences de base

Alors, que doivent faire les cellules pour survivre ? Ils doivent transformer l'énergie en une forme utilisable. Cela implique de fabriquer de l'ATP, de maintenir une membrane sous tension et de maintenir un NAD productif+/NADH2 rapports. Les cellules doivent également être capables de synthétiser les macromolécules appropriées (protéines, lipides, polysaccharides, etc.) et d'autres composants structurels cellulaires. Pour ce faire, ils doivent être capables soit de fabriquer le noyau, précurseurs clés de molécules plus complexes, soit de les obtenir de l'environnement.

La diffusion et son importance pour les bactéries et les archées

Le mouvement par diffusion est passif et descend le gradient de concentration. Pour que les composés se déplacent de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule, le composé doit être capable de traverser la bicouche phospholipidique. Si la concentration d'une substance est plus faible à l'intérieur de la cellule qu'à l'extérieur et qu'elle possède des propriétés chimiques qui lui permettent de traverser la membrane cellulaire, ce composé aura tendance à se déplacer énergétiquement dans la cellule. Alors que la "vraie" histoire est un peu plus complexe et sera discutée plus en détail plus tard, la diffusion est l'un des mécanismes utilisés par les bactéries et les archées pour faciliter le transport des métabolites.

La diffusion peut également être utilisée pour se débarrasser de certains déchets. Au fur et à mesure que les déchets s'accumulent à l'intérieur de la cellule, leur concentration augmente par rapport à celle de l'environnement extérieur et les déchets peuvent quitter la cellule. Le mouvement à l'intérieur de la cellule fonctionne de la même manière : les composés descendront leur gradient de concentration, de l'endroit où ils sont synthétisés vers des endroits où leur concentration est faible et peut donc être nécessaire. La diffusion est un processus aléatoire : la capacité de deux composés ou réactifs différents pour les réactions chimiques à interagir devient une rencontre fortuite. Par conséquent, dans les petits espaces confinés, les interactions aléatoires ou les collisions peuvent se produire plus fréquemment que dans les grands espaces.

La capacité d'un composé à diffuser dépend de la viscosité du solvant. Par exemple, il vous est beaucoup plus facile de vous déplacer dans l'air que dans l'eau (pensez à vous déplacer sous l'eau dans une piscine). De même, il est plus facile pour vous de nager dans une piscine d'eau que dans une piscine remplie de beurre de cacahuète. Si vous mettez une goutte de colorant alimentaire dans un verre d'eau, il diffuse rapidement jusqu'à ce que tout le verre ait changé de couleur. Maintenant, que pensez-vous qu'il se passerait si vous mettiez cette même goutte de colorant alimentaire dans un verre de sirop de maïs (très visqueux et collant) ? Il faudra beaucoup plus de temps pour que le verre de sirop de maïs change de couleur.

La pertinence de ces exemples est de noter que le cytoplasme a tendance à être très visqueux. Il contient de nombreuses protéines, métabolites, petites molécules, etc. et a une viscosité plus proche du sirop de maïs que de l'eau. Ainsi, la diffusion dans les cellules est plus lente et plus limitée que ce à quoi vous vous attendiez à l'origine. Par conséquent, si les cellules dépendent uniquement de la diffusion pour déplacer les composés, que pensez-vous qu'il arrive à l'efficacité de ces processus à mesure que la taille des cellules augmente et que leurs volumes internes augmentent ? Y a-t-il un problème potentiel à devenir grand qui est lié au processus de diffusion ?

Alors, comment les cellules grossissent-elles ?

Comme vous l'avez probablement conclu de la discussion ci-dessus, avec des cellules qui dépendent de la diffusion pour déplacer des éléments autour de la cellule, comme les bactéries et les archées, la taille compte. Alors comment pensez-vous Epulopiscium fishelsoni et Thiomargarita namibiensis est devenu si gros ? Jetez un œil à ces liens et voyez à quoi ressemblent ces bactéries morphologiquement et structurellement : Epulopiscium fishelsoni et Thiomargarita namibiensis.

D'après ce que nous venons d'évoquer, pour que les cellules grossissent, c'est-à-dire que leur volume augmente, le transport intracellulaire doit en quelque sorte devenir indépendant de la diffusion. L'un des grands sauts de l'évolution a été la capacité des cellules (cellules eucaryotes) à transporter des composés et des matériaux de manière intracellulaire, indépendamment de la diffusion. La compartimentation a également fourni un moyen de localiser les processus sur des organites plus petits, ce qui a permis de surmonter un autre problème causé par la grande taille. La compartimentation et les systèmes complexes de transport intracellulaire ont permis aux cellules eucaryotes de devenir très grandes par rapport aux cellules bactériennes et archéennes à diffusion limitée. Nous discuterons des solutions spécifiques à ces défis dans les sections suivantes.

Cellule eucaryote : structure et fonction

Introduction aux cellules eucaryotes

Par définition, des cellules eucaryotes sont des cellules qui contiennent un noyau lié à la membrane, une caractéristique structurelle qui n'est pas présente dans les cellules bactériennes ou archéennes. En plus du noyau, des cellules eucaryotes se caractérisent par de nombreuses membranes organites tels que le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, les chloroplastes, les mitochondries et autres.

Dans les sections précédentes, nous avons commencé à considérer le défi de conception consistant à fabriquer des cellules plus grandes qu'une petite bactérie - plus précisément, à faire croître des cellules à des tailles auxquelles, aux yeux de la sélection naturelle, s'appuyer sur la diffusion de substances pour le transport à travers un cytosol très visqueux vient avec des compromis fonctionnels inhérents qui compensent les avantages les plus sélectifs de l'agrandissement. Dans les conférences et les lectures sur la structure cellulaire bactérienne, nous avons découvert certaines caractéristiques morphologiques des grandes bactéries qui leur permettent de surmonter efficacement les barrières de taille limitées par la diffusion (par exemple, le remplissage du cytoplasme avec une grande vacuole de stockage maintient un petit volume pour l'activité métabolique qui reste compatible avec transport induit par la diffusion).

Alors que nous nous concentrons sur les cellules eucaryotes, nous souhaitons que vous abordiez l'étude en revenant constamment au Design Challenge. Nous couvrirons un grand nombre de structures subcellulaires propres aux eucaryotes, et vous serez certainement amenés à connaître les noms de ces structures ou organites, à les associer à une ou plusieurs "fonctions", et à les identifier sur une caricature canonique représentation d'une cellule eucaryote. Cet exercice de mémorisation est nécessaire mais pas suffisant. Nous vous demanderons également de commencer à réfléchir un peu plus à certains des coûts et avantages fonctionnels et évolutifs (compromis) des cellules eucaryotes en évolution et de divers organites eucaryotes, ainsi que de la manière dont une cellule eucaryote pourrait coordonner les fonctions de différents organites. .

Vos instructeurs vous proposeront, bien sûr, quelques hypothèses fonctionnelles à considérer qui abordent ces points plus larges. Nos hypothèses peuvent parfois prendre la forme d'énoncés tels que « La chose A existe

car

de la justification B." Pour être tout à fait honnête, cependant, dans de nombreux cas, nous ne connaissons pas réellement toutes les pressions sélectives qui ont conduit à la création ou au maintien de certaines structures cellulaires, et la probabilité qu'une explication convienne à tous les cas est mince en biologie. Le lien/relation de causalité impliqué par l'utilisation de termes tels que "

car

" doivent être traités comme de bonnes hypothèses plutôt que comme des connaissances factuelles objectives, concrètes, incontestées. Nous voulons que vous compreniez ces hypothèses et que vous puissiez discuter des idées présentées en classe, mais nous voulons aussi que vous assouviez votre propre curiosité et commenciez pensez vous-même de manière critique à ces idées. Essayez d'utiliser la rubrique Défi de conception pour explorer certaines de vos idées. Dans ce qui suit, nous essaierons de semer des questions pour encourager cette activité.

Figure 1. Ces figures montrent les principaux organites et autres composants cellulaires de (a) une cellule animale typique et (b) une cellule végétale eucaryote typique. La cellule végétale a une paroi cellulaire, des chloroplastes, des plastes et une vacuole centrale, des structures que l'on ne trouve pas dans les cellules animales. Les cellules végétales n'ont pas de lysosomes ou de centrosomes.

La membrane plasmique

Comme les bactéries et les archées, les cellules eucaryotes ont une membrane plasma, une bicouche phospholipidique avec des protéines intégrées qui sépare le contenu interne de la cellule de son environnement environnant. La membrane plasmique contrôle le passage des molécules organiques, des ions, de l'eau et de l'oxygène dans et hors de la cellule. Les déchets (tels que le dioxyde de carbone et l'ammoniac) quittent également la cellule en passant à travers la membrane plasmique, généralement avec l'aide de transporteurs de protéines.

Figure 2. La membrane plasmique eucaryote est une bicouche phospholipidique contenant des protéines et du cholestérol.

Comme discuté dans le contexte des membranes cellulaires bactériennes, les membranes plasmiques des cellules eucaryotes peuvent également adopter des conformations uniques. Par exemple, la membrane plasmique des cellules qui, dans les organismes multicellulaires, se spécialisent dans l'absorption sont souvent repliées en projections en forme de doigt appelées microvillosités (singulier = microvillosités); (voir figure ci-dessous). Le « repliement » de la membrane en microvillosités augmente efficacement la surface d'absorption tout en ayant un impact minimal sur le volume cytosolique. De telles cellules peuvent être trouvées tapissant l'intestin grêle, l'organe qui absorbe les nutriments des aliments digérés.

Un aparté : les personnes atteintes de la maladie cœliaque ont une réponse immunitaire au gluten, une protéine présente dans le blé, l'orge et le seigle. La réponse immunitaire endommage les microvillosités. En conséquence, les individus affligés ont une capacité réduite à absorber les nutriments. Cela peut entraîner de la malnutrition, des crampes et de la diarrhée.

Figure 3. Les microvillosités, illustrées ici telles qu'elles apparaissent sur les cellules tapissant l'intestin grêle, augmentent la surface disponible pour l'absorption. Ces microvillosités ne se trouvent que sur la zone de la membrane plasmique qui fait face à la cavité à partir de laquelle les substances seront absorbées. Crédit : "micrographie", modification de l'oeuvre de Louisa Howard

Le cytoplasme

Les cytoplasme fait référence à toute la région d'une cellule entre la membrane plasmique et l'enveloppe nucléaire. Il est composé d'organites en suspension dans le gel cytosol, le cytosquelette et divers produits chimiques (voir la figure ci-dessous). Même si le cytoplasme est composé de 70 à 80 pour cent d'eau, il a néanmoins une consistance semi-solide. Il y a foule là-dedans. Les protéines, les sucres simples, les polysaccharides, les acides aminés, les acides nucléiques, les acides gras, les ions et de nombreuses autres molécules hydrosolubles sont tous en compétition pour l'espace et l'eau.

Le noyau

En règle générale, le noyau est l'organite le plus important d'une cellule (voir la figure ci-dessous) lorsqu'il est observé au microscope. Les noyau (pluriel = noyaux) abrite l'ADN de la cellule. Regardons-le plus en détail.

Figure 4. Le noyau stocke la chromatine (ADN plus protéines) dans une substance semblable à un gel appelée nucléoplasme. Le nucléole est une région condensée de la chromatine où se produit la synthèse des ribosomes. La limite du noyau est appelée enveloppe nucléaire. Il se compose de deux bicouches phospholipidiques : une membrane externe et une membrane interne. La membrane nucléaire est continue avec le réticulum endoplasmique. Les pores nucléaires permettent aux substances d'entrer et de sortir du noyau.

L'enveloppe nucléaire

Les enveloppe nucléaire, une structure qui constitue la limite la plus externe du noyau, est une double membrane - les membranes interne et externe de l'enveloppe nucléaire sont des bicouches phospholipidiques. L'enveloppe nucléaire est également ponctuée de pores à base de protéines qui contrôlent le passage des ions, des molécules et de l'ARN entre le nucléoplasme et le cytoplasme. Les nucléoplasme est le fluide semi-solide à l'intérieur du noyau où se trouvent la chromatine et le nucléole, une région condensée de la chromatine où se produit la synthèse des ribosomes.

Chromatine et chromosomes

Pour comprendre la chromatine, il est utile de considérer d'abord les chromosomes. Chromosomes sont des structures au sein du noyau qui sont constituées d'ADN, le matériel héréditaire. Vous vous souvenez peut-être que chez les bactéries et les archées, l'ADN est généralement organisé en un ou plusieurs chromosomes circulaires. Chez les eucaryotes, les chromosomes sont des structures linéaires. Chaque espèce eucaryote possède un nombre spécifique de chromosomes dans le noyau de ses cellules. Chez l'homme, par exemple, le nombre de chromosomes est de 23, alors que chez les mouches des fruits, il est de 4.

Les chromosomes ne sont clairement visibles et distinguables les uns des autres par microscopie optique visible que lorsque la cellule se prépare à se diviser et que l'ADN est étroitement emballé par des protéines dans des formes facilement reconnaissables. Lorsque la cellule est dans les phases de croissance et de maintenance de son cycle de vie, de nombreuses protéines sont encore associées aux acides nucléiques, mais les brins d'ADN ressemblent davantage à un tas de fils déroulés et enchevêtrés. Le terme chromatine est utilisé pour décrire les chromosomes (les complexes protéine-ADN) lorsqu'ils sont à la fois condensés et décondensés.

Figure 5. (a) Cette image montre différents niveaux d'organisation de la chromatine (ADN et protéine). (b) Cette image montre des chromosomes appariés. Crédit (b) : modification des travaux par le NIH ; données de la barre d'échelle de Matt Russell

Le nucléole

Certains chromosomes ont des sections d'ADN qui codent pour l'ARN ribosomique. Une zone de coloration sombre à l'intérieur du noyau appelée nucléole (pluriel = nucléoles) agrège l'ARN ribosomique avec les protéines associées pour assembler les sous-unités ribosomiques qui sont ensuite transportées vers le cytoplasme à travers les pores de l'enveloppe nucléaire.

Remarque : discussion possible

Discutez entre vous. Utilisez la rubrique Design Challenge pour examiner le noyau plus en détail. Quels « problèmes » un organite comme le noyau résout-il ? Quelles sont certaines des qualités d'un noyau qui peuvent être responsables d'assurer son succès évolutif ? Quels sont certains des compromis entre l'évolution et le maintien d'un noyau ? (Chaque avantage a un coût ; pouvez-vous énumérer les deux ?) N'oubliez pas qu'il peut y avoir des hypothèses bien établies (et il est bon de les mentionner), mais le but de l'exercice ici est que vous réfléchissiez de manière critique et que vous discutiez de manière critique. ces idées en utilisant vos « intelligents » collectifs.

Ribosomes

Ribosomes sont les structures cellulaires responsables de la synthèse des protéines. Lorsqu'ils sont observés au microscope électronique, les ribosomes apparaissent soit sous forme d'amas (polyribosomes), soit sous forme de petits points uniques qui flottent librement dans le cytoplasme. Ils peuvent être attachés au côté cytoplasmique de la membrane plasmique ou au côté cytoplasmique du réticulum endoplasmique et à la membrane externe de l'enveloppe nucléaire (dessin de la cellule ci-dessus).

La microscopie électronique nous a montré que les ribosomes, qui sont de grands complexes de protéines et d'ARN, sont constitués de deux sous-unités, appelées à juste titre grande et petite (figure ci-dessous). Les ribosomes reçoivent leurs « instructions » pour la synthèse des protéines du noyau, où l'ADN est transcrit en ARN messager (ARNm). L'ARNm se déplace vers les ribosomes, qui traduisent le code fourni par la séquence des bases azotées de l'ARNm en un ordre spécifique d'acides aminés dans une protéine. Ceci est couvert plus en détail dans la section traitant du processus de traduction.

Figure 6. Les ribosomes sont constitués d'une grande sous-unité (en haut) et d'une petite sous-unité (en bas). Au cours de la synthèse des protéines, les ribosomes assemblent les acides aminés en protéines.

Mitochondries

Mitochondries (singulier = mitochondrie) sont souvent appelées les « centrales électriques » ou « usines d'énergie » d'une cellule car elles sont le site principal de la respiration métabolique chez les eucaryotes. Selon l'espèce et le type de mitochondries présentes dans ces cellules, les voies respiratoires peuvent être anaérobies ou aérobies. Par définition, lorsque la respiration est aérobie, l'électron terminal est l'oxygène ; lorsque la respiration est anaérobie, un composé autre que l'oxygène joue le rôle d'accepteur terminal d'électrons. Dans les deux cas, le résultat de ces processus respiratoires est la production d'ATP via la phosphorylation oxydative, d'où l'utilisation des termes « centrale » et/ou « usine d'énergie » pour décrire cet organite. Presque toutes les mitochondries possèdent également un petit génome qui code des gènes dont les fonctions sont généralement limitées à la mitochondrie.

Dans certains cas, le nombre de mitochondries par cellule est réglable, en fonction, typiquement, de la demande d'énergie. Il est par exemple possible que les cellules musculaires utilisées - qui par extension ont une demande plus élevée en ATP - aient souvent un nombre significativement plus élevé de mitochondries que les cellules qui n'ont pas une charge énergétique élevée.

La structure des mitochondries peut varier considérablement selon l'organisme et l'état du cycle cellulaire que l'on observe. L'image typique du manuel, cependant, représente les mitochondries comme des organites de forme ovale avec une double membrane interne et externe (voir la figure ci-dessous); apprendre à reconnaître cette représentation générique. Les membranes interne et externe sont des bicouches phospholipidiques enrobées de protéines qui assurent le transport à travers elles et catalysent diverses autres réactions biochimiques. La couche de membrane interne a des plis appelés crêtes qui augmentent la surface dans laquelle les protéines de la chaîne respiratoire peuvent être intégrées. La région à l'intérieur des crêtes est appelée la mitochondrie matrice et contient, entre autres, des enzymes du cycle du TCA. Pendant la respiration, les protons sont pompés par des complexes de chaînes respiratoires de la matrice dans une région connue sous le nom de espace intermembranaire (entre les membranes interne et externe).

Figure 7. Cette micrographie électronique montre une mitochondrie vue au microscope électronique à transmission. Cet organite a une membrane externe et une membrane interne. La membrane interne contient des plis, appelés crêtes, qui augmentent sa surface. L'espace entre les deux membranes s'appelle l'espace intermembranaire et l'espace à l'intérieur de la membrane interne s'appelle la matrice mitochondriale. La synthèse d'ATP a lieu sur la membrane interne. Crédit : modification d'œuvre par Matthew Britton ; données de la barre d'échelle de Matt Russell

Remarque : discussion possible

Discuter : des processus tels que la glycolyse, la biosynthèse des lipides et la biosynthèse des nucléotides contiennent tous des composés qui alimentent le cycle du TCA, dont certains se produisent dans les mitochondries. Quels sont certains des défis fonctionnels associés aux processus de coordination qui ont un ensemble commun de molécules si les enzymes sont séquestrées dans différents compartiments cellulaires ?

Peroxysomes

Peroxysomes sont de petits organites ronds entourés de membranes simples. Ces organites effectuent des réactions redox qui oxydent et décomposent les acides gras et les acides aminés. Ils aident également à détoxifier de nombreuses toxines qui peuvent pénétrer dans le corps. Beaucoup de ces réactions redox libèrent du peroxyde d'hydrogène, H2O2, ce qui serait dommageable pour les cellules ; Cependant, lorsque ces réactions sont confinées aux peroxysomes, les enzymes décomposent en toute sécurité le H2O2 en oxygène et eau. Par exemple, l'alcool est détoxifié par les peroxysomes dans les cellules hépatiques. Les glyoxysomes, qui sont des peroxysomes spécialisés dans les plantes, sont responsables de la conversion des graisses stockées en sucres.

Vésicules et vacuoles

Vésicules et vacuoles sont des sacs liés à la membrane qui fonctionnent dans le stockage et le transport. Outre le fait que les vacuoles sont un peu plus grandes que les vésicules, il existe une distinction très subtile entre elles : les membranes des vésicules peuvent fusionner avec la membrane plasmique ou d'autres systèmes membranaires à l'intérieur de la cellule. De plus, certains agents tels que les enzymes dans les vacuoles végétales décomposent les macromolécules. La membrane d'une vacuole ne fusionne pas avec les membranes d'autres composants cellulaires.

Cellules animales versus cellules végétales

À ce stade, vous savez que chaque cellule eucaryote possède une membrane plasmique, un cytoplasme, un noyau, des ribosomes, des mitochondries, des peroxysomes et, dans certains cas, des vacuoles. Il existe des différences frappantes entre les cellules animales et végétales qui méritent d'être notées. Voici une brève liste des différences que nous souhaitons que vous connaissiez et une description légèrement développée ci-dessous :

1. Alors que toutes les cellules eucaryotes utilisent les microtubules et les protéines motrices pour séparer les chromosomes au cours de la division cellulaire, les structures utilisées pour organiser ces microtubules diffèrent chez les plantes par rapport aux cellules animales et de levure. Les cellules animales et de levure organisent et ancrent leurs microtubules dans des structures appelées centres d'organisation des microtubules (MTOC). Ces structures sont composées de structures appelées centrioles qui sont composées en grande partie de -tubuline, de -tubuline et d'autres protéines. Deux centrioles s'organisent en une structure appelée centrosome. En revanche, chez les plantes, alors que les microtubules s'organisent également en faisceaux discrets, il n'y a pas de structures visibles similaires aux MTOC observées dans les cellules animales et de levure. Au contraire, selon l'organisme, il semble qu'il puisse y avoir plusieurs endroits où ces faisceaux de microtubules peuvent nucléer à partir d'endroits appelés centres d'organisation des microtubules acentriolaires (sans centriole). Un troisième type de tubuline, la γ-tubuline, semble être impliqué, mais notre connaissance des mécanismes précis utilisés par les plantes pour organiser les fuseaux des microtubules est encore inégale.

2. Les cellules animales ont généralement des organites appelés lysosomes responsables de la dégradation des biomolécules. Certaines cellules végétales contiennent des organites de dégradation fonctionnellement similaires, mais il existe un débat sur la façon dont elles devraient être nommées. Certains biologistes végétaux appellent ces organites lysosomes tandis que d'autres les regroupent dans la catégorie générale des plastes et ne leur donnent pas de nom spécifique.

3. Les cellules végétales ont une paroi cellulaire, des chloroplastes et autres plastes spécialisés, et une grande vacuole centrale, contrairement aux cellules animales.

Le centrosome

Les centrosome est un centre d'organisation des microtubules situé près des noyaux des cellules animales. Il contient une paire de centrioles, deux structures perpendiculaires l'une à l'autre (voir figure ci-dessous). Chaque centriole est un cylindre de neuf triplets de microtubules.

Figure 8. Le centrosome est constitué de deux centrioles perpendiculaires l'un à l'autre. Chaque centriole est un cylindre composé de neuf triplets de microtubules. Les protéines non tubulines (indiquées par les lignes vertes) maintiennent les triplets de microtubules ensemble.

Le centrosome (l'organite d'où proviennent tous les microtubules chez l'animal et la levure) se réplique avant qu'une cellule ne se divise, et les centrioles semblent jouer un rôle en tirant les chromosomes dupliqués vers les extrémités opposées de la cellule en division. Cependant, la fonction exacte des centrioles dans la division cellulaire reste incertaine, car les cellules dont le centrosome a été retiré peuvent toujours se diviser et les cellules végétales, qui manquent de centrosomes, sont capables de division cellulaire.

Lysosomes

Les cellules animales possèdent un autre ensemble d'organites que l'on ne trouve pas dans les cellules végétales : les lysosomes. Familièrement, le lysosomes sont parfois appelées « élimination des déchets » de la cellule. Les enzymes présentes dans les lysosomes facilitent la dégradation des protéines, des polysaccharides, des lipides, des acides nucléiques et même des organites « usés ». Ces enzymes sont actives à un pH bien inférieur à celui du cytoplasme. Par conséquent, le pH dans les lysosomes est plus acide que le pH du cytoplasme. Dans les cellules végétales, bon nombre des mêmes processus digestifs se déroulent dans les vacuoles.

La paroi cellulaire

Si vous examinez le schéma ci-dessus représentant les cellules végétales et animales, vous verrez dans le schéma d'une cellule végétale une structure externe à la membrane plasmique appelée la paroi cellulaire. La paroi cellulaire est un revêtement rigide qui protège la cellule, fournit un support structurel et donne forme à la cellule. Les cellules fongiques et protistes ont également des parois cellulaires. Alors que le principal composant des parois cellulaires bactériennes est le peptidoglycane, la principale molécule organique de la paroi cellulaire végétale est la cellulose (voir la structure ci-dessous), un polysaccharide composé de sous-unités de glucose.

Graphique 9. La cellulose est une longue chaîne de molécules d'β-glucose reliées par une liaison 1-4. Les lignes pointillées à chaque extrémité de la figure indiquent une série de beaucoup plus d'unités de glucose. La taille de la page rend impossible la représentation d'une molécule de cellulose entière.

Chloroplastes

Chloroplastes sont des organites de cellules végétales qui effectuent la photosynthèse. Comme les mitochondries, les chloroplastes ont leur propre ADN et ribosomes, mais les chloroplastes ont une fonction totalement différente.

Comme les mitochondries, les chloroplastes ont des membranes externes et internes, mais dans l'espace délimité par la membrane interne d'un chloroplaste se trouve un ensemble de sacs membranaires remplis de fluide interconnectés et empilés appelés thylakoïdes (figure ci-dessous). Chaque pile de thylakoïdes est appelée un granum (pluriel = grana). Le fluide enfermé par la membrane interne qui entoure le grana s'appelle le stroma.

Figure 10. Le chloroplaste a une membrane externe, une membrane interne et des structures membranaires appelées thylakoïdes qui sont empilées dans le grana. L'espace à l'intérieur des membranes thylakoïdes s'appelle l'espace thylakoïde. Les réactions de récolte de lumière ont lieu dans les membranes thylacoïdiennes et la synthèse de sucre a lieu dans le fluide à l'intérieur de la membrane interne, appelé stroma. Les chloroplastes ont également leur propre génome, qui est contenu sur un seul chromosome circulaire.

Les chloroplastes contiennent un pigment vert appelé chlorophylle, qui capte l'énergie lumineuse qui entraîne les réactions de la photosynthèse. Comme les cellules végétales, les protistes photosynthétiques ont également des chloroplastes. Certaines bactéries effectuent la photosynthèse, mais leur chlorophylle n'est pas reléguée à un organite.

Connexion évolution

Endosymbiose

Nous avons mentionné que les mitochondries et les chloroplastes contiennent de l'ADN et des ribosomes. Vous êtes-vous demandé pourquoi ? Des preuves solides indiquent l'endosymbiose comme explication.

La symbiose est une relation dans laquelle les organismes de deux espèces distinctes dépendent les uns des autres pour leur survie. L'endosymbiose (endo- = « à l'intérieur ») est une relation mutuellement bénéfique dans laquelle un organisme vit à l'intérieur de l'autre. Les relations endosymbiotiques abondent dans la nature. Par exemple, certains microbes qui vivent dans nos voies digestives produisent de la vitamine K. La relation entre ces microbes et nous (leurs hôtes) serait mutuellement bénéfique ou symbiotique. La relation est bénéfique pour nous car nous sommes incapables de synthétiser la vitamine K ; les microbes le font pour nous à la place. La relation est également bénéfique pour les microbes car ils reçoivent une nourriture abondante de l'environnement du gros intestin, et ils sont protégés à la fois des autres organismes et du dessèchement.

Les scientifiques ont remarqué depuis longtemps que les bactéries, les mitochondries et les chloroplastes sont de taille similaire. Nous savons également que les bactéries ont de l'ADN et des ribosomes, tout comme les mitochondries et les chloroplastes. Les scientifiques pensent que les cellules hôtes et les bactéries ont formé une relation endosymbiotique lorsque les cellules hôtes ont ingéré à la fois des bactéries aérobies et autotrophes (cyanobactéries) mais ne les ont pas détruites. Au cours de plusieurs millions d'années d'évolution, ces bactéries ingérées se sont spécialisées dans leurs fonctions, les bactéries aérobies devenant des mitochondries et les bactéries autotrophes devenant des chloroplastes. Il y aura plus à ce sujet plus tard dans la lecture.

La vacuole centrale

Auparavant, nous avons mentionné les vacuoles comme des composants essentiels des cellules végétales. Si vous regardez la figure de bande dessinée de la cellule végétale, vous verrez qu'elle représente une grande vacuole centrale qui occupe la majeure partie de la surface de la cellule. Les vacuole centrale joue un rôle clé dans la régulation de la concentration en eau de la cellule dans des conditions environnementales changeantes.

Factoïde stupide de vacuole : Avez-vous déjà remarqué que si vous oubliez d'arroser une plante pendant quelques jours, elle se fane ? En effet, lorsque la concentration en eau dans le sol devient inférieure à la concentration en eau dans la plante, l'eau sort des vacuoles centrales et du cytoplasme. Au fur et à mesure que la vacuole centrale rétrécit, elle laisse la paroi cellulaire sans support. Cette perte de support des parois cellulaires des cellules végétales se traduit par l'aspect flétri de la plante.

La vacuole centrale soutient également l'expansion de la cellule. Lorsque la vacuole centrale contient plus d'eau, la cellule s'agrandit sans avoir à investir beaucoup d'énergie dans la synthèse d'un nouveau cytoplasme.

La vue d'ensemble de la méthode scientifique

Un exemple de simplification excessive qui déconcerte de nombreux étudiants en biologie (en particulier au début de leurs études) est l'utilisation d'un langage qui masque le processus expérimental utilisé pour construire des connaissances. Par souci de commodité, nous racontons souvent des histoires sur les systèmes biologiques comme si nous présentions des faits incontestables. Cependant, alors que nous écrivons et parlons souvent de sujets en biologie avec une conviction qui donne l'apparence d'une connaissance « factuelle », la réalité est souvent plus nuancée et remplie d'incertitudes importantes. La présentation « factuelle » du matériel (qui manque généralement de discussion sur les preuves ou de confiance dans les preuves) joue sur notre tendance naturelle à nous sentir bien dans le fait de « savoir » des choses, mais elle tend à créer un faux sentiment de sécurité dans l'état des connaissances et ne peu pour encourager l'utilisation de l'imagination ou le développement de la pensée critique.

A better way to describe our knowledge about the natural world would be to explicitly qualify that what we know to be "true" in science represents only our current best understanding of a topic; an understanding that has not yet been refuted by experiment. Unfortunately, repeated qualification becomes rather cumbersome. The important thing to remember is that while we may not say so explicitly, all of the knowledge we discuss in class represents only the best of our current understanding. Some ideas have withstood repeated and varied experimentation while other topics have yet to be tested as thoroughly. So if we're not as certain about things as we'd like to believe sometimes, how do we know what to put confidence in and what to be skeptical of? The complete answer is non-trivial but it begins with developing an understanding of the traiter we use in science to build new knowledge. The scientific method is the

traiter

by which new knowledge is developed. While the process can be described with long lists of "steps" (often seen in textbooks), its core elements can be described more succinctly.

Succinct description of scientific method (adapted from Feynman)

  1. Make an observation about the world.
  2. Propose a possible explanation for the observation.
  3. Test the explanation by experiment.
  4. If the explanation disagrees with experiment, the explanation is wrong.

At its core, that's it! In science there may be multiple, simultaneously proposed explanations or ideas that are tested by experiment. The ideas that fail experimentation are left behind. The ideas that survive experimentation move forward and are often retested by alternative experiments until they too either fail or continue to be retained.

Making an observation and asking a question

The ability to make useful observations and/or ask meaningful questions requires curiosity, creativity, and imagination—this cannot be overstated. Indeed, historically, it is first and foremost the application of these skills, perhaps more than technical ability, which has led to big advances in science. Many people think that making meaningful observations and asking useful questions is the easiest part of the scientific method. This is not always the case. Pourquoi? Seeing what others have not yet asked and creativity take work and thoughtful reflection! In addition, our senses of observation are often biased by life experience, prior knowledge, or even our own biology. These underlying biases influence how we see the world, how we interpret what we see, and what we are ultimately curious about. This means that when we look at the world, we can miss a lot of things that are actually right under our noses. Douglas Adams, who is best known for his book entitled The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy, once expanded on this point by writing:

“The most misleading assumptions are the ones you don't even know you're making.”

Scientists, therefore, need to be aware of any underlying biases and any assumptions that may influence how they internalize and interpret observations. This includes approaching our bias that the variety of places we get our knowledge (i.e., textbooks, instructors, the Internet) are representing the absolute truth with a healthy dose of skepticism. We need to learn to examine the evidence underling the “facts” we supposedly know and make critical judgments about how much we trust that knowledge. More generally, taking the time to make careful observations and to uncover any assumptions and biases that could influence how they are interpreted is, therefore, time well spent. This skill, like all others, needs to be developed and takes practice and we’ll try to start you on this in BIS2A.

For fun, and to test your observation skills, Google “observation tests”. Many of the search results will take you to interesting psychological tests and/or videos that illustrate how difficult accurate observation can be.

Generating a testable hypothesis

The "possible explanation" referred to in step three above has a formal name; it is called a hypothèse. A hypothesis is not a random guess. A hypothesis is an educated (based on prior knowledge or a new viewpoint) explanation for an event or observation. It is typically most useful if a scientific hypothesis can be tested. This requires that the tools to make informative measurements on the system exist and that the experimenter has sufficient control over the system in question to make the necessary observations.

Most of the time, behaviors of the system that the experimenter wants to test can be influenced by many factors. We call the behaviors and factors dependent and independent variables, respectively. The dependent variable is the behavior that needs explaining while the independent variables are all of the other things that can change and influence the behavior of the dependent variable. For example, an experimenter that has developed a new drug to control blood pressure may want to test whether her new drug actually influences blood pressure. In this example, the system is the human body, the dependent variable might be blood pressure, and the independent variables might be other factors that change and influence blood pressure like age, sex, and levels of various soluble factors in the blood stream.

Noter

In BIS2A, and beyond, we prefer to avoid using language like “the experiment proved her hypothesis” when referring to a case like the blood pressure example above. Rather we would say, “the experiment is consistent with her hypothesis.” Note that for convenience, we referred to the alternative hypothesis simply as “her hypothesis”! It would be more correct to state, “the experiment falsified her null hypothesis and is consistent with her alternative hypothesis.” Why take this shortcut since doing so adds confusion when a student is trying to learn? In this case, it was done to illustrate the point above about language shortcuts and hence the lengthy explanation. However, be aware of this commonly used shortcut and learn to make sure you can read in the correct meaning yourself.

Note: possible discussion

What does the statement about falsifying hypotheses mean in your own words? Why is falsification critical to the scientific method?

Les contrôles

In an ideal case, an experiment will include control groups. Control groups are experimental conditions in which the values of the independent variables (there may be more than one) are maintained as close to those in the experimental group with the exception of the independent variable being tested. In the blood pressure example, an ideal scenario would be to have one identical group of people taking the drug and another group of people identical to those in the experimental group taking a pill containing something known to not influence blood pressure. In this oversimplified example, all independent variables are identical in the control and experimental groups with the exception of the presence or absence of the new drug. Under these circumstances, if the value of the dependent variable (blood pressure) of the experimental group differs from that of the control group, one can reasonably conclude that the difference must be due to the difference in independent variable (the presence/absence of the drug). This is, of course, the ideal. In real life it is impossible to conduct the proposed drug dosage experiment; the sheer number of possible independent variables in a group of potential patients would be high. Fortunately, while statisticians have come to the rescue in real life, you won’t need to understand the nuances of these statistical issues in BIS2A.

Accuracy in measurement, uncertainty, and replication

Finally, we mention the intuitive notion that the tools used to make the measurements in an experiment must be reasonably accurate. Quelle précision ? They must be accurate enough to make measurements with sufficient certainty to draw conclusions about whether changes in independent variables actually influence the value of a dependent variable. If we take, yet again, the blood pressure example above. In that experiment, we made the important assumption that the experimenter had tools that allowed her to make accurate measurements of the changes in blood pressure associated with the effects of the drug. For instance if the changes associated with the drug ranged between 0 and 3 mmHg and her meter capably measured changes in blood pressure with a certainty of +/- 5 mmHg, she could not have made the necessary measurements to test her hypothesis or would have missed seeing the effect of the drug. For the sake of the example, we assume that she had a better instrument and that she could be confident that any changes she measured were indeed differences due to the drug treatment and that they were not due to measurement error, sample-to-sample variability, or other sources of variation that lower the confidence of the conclusions that are drawn from the experiment.

The topic of measurement error leads us to mention that there are numerous other possible sources of uncertainty in experimental data that you as students will ultimately need to learn about. These sources of error have a lot to do with determining how certain we are that experiments have disproven a hypothesis, how much we should trust the interpretation of the experimental results and, by extension, our current state of knowledge. Even at this stage, you will recognize some experimental strategies used to deal with these sources of uncertainty (i.e., making measurements on multiple samples, creating replicate experiments). You will learn more about this in your statistics courses later on.

For now, you should, however, be aware that experiments carry a certain degree of confidence in the results and that the degree of confidence in the results can be influenced by many factors. Developing healthy skepticism involves, among other things, learning to assess the quality of an experiment and the interpretation of the findings and learning to ask questions about things like this.

Note: possible discussion

After moving to California to attend UC Davis, you have fallen in love with fresh tomatoes. You decide that the tomatoes in the stores just don’t taste right and resolve to grow your own.

You plant tomato plants all over your back yard; every free space now has a freshly planted tomato seedling of the same variety. You have planted tomatoes in the ground in full sunlight and next to your house in full shade.

Observation: After the first year of harvest, you make the observation that the plants growing in full shade almost always seem shorter than those in the full sun. You think that you have a reasonable explanation (hypothesis) for this observation.

Based on the information above, you create the following hypothesis to explain the differences in height you noticed in your tomatoes:

Hypothèse: The height that my tomato plants reach is positively correlated to the amount of sunlight they are exposed to (e.g., the more sun the plant gets, the taller it will be).

This hypothesis is testable and falsifiable. So, the next summer you decide to test your hypothesis.

This hypothesis also allows you to make a prediction. In this case you might predict that IF you were to shade a set of tomatoes in the sunny part of the yard, THEN those plants would be shorter than their full-sun neighbors.

You design an experiment to test your hypothesis by buying the same variety of tomato that you planted the previous year and plant your whole yard again. This year, however, you decide to do two different things:

  1. You create a shade structure that you place over a small subset of plants in the sunny part of your yard.
  2. You build a contraption with mirrors that redirects some sunlight onto a small subset of plants that are in the shady part of the yard.

Question 1: We used a shortcut above. Can you create statements for both the null and alternative hypothesis? Work with your classmates to do this.

Question 2: Why do you create a shade structure? What is this testing? Based on your hypothesis what do you predict will happen to the plants under the shade structure?

Question 3: Why do you create the mirror contraption? Why do you potentially need this contraption if you already have the shade structure?

New data: At the end of the summer you measure the height of your tomato plants and you find, once again, that the plants in the sunny part of the yard are indeed taller than those in the shady part of the yard. However, you notice that there is no difference in height between the plants under your shade structure and those right next to the structure in full sun. In addition, you notice that the plants in the shady part of the yard are all about the same height, including those that had extra light shined on them via your mirror contraption.

Question 4: What does this experiment lead you to conclude? What would you try to do next?

Question 5 : Imagine an alternative scenario in which you discovered, as before, that the plants in the sunny part of the yard were all the same height (even those under your shade structure) but that the plants in the shady part of the yard that got “extra” light from your mirror contraption grew taller than their immediate neighbors. What would this say about your alternate hypothesis? Null hypothesis? What would you do next?

Question 6 : What assumptions are you making about the ability to make measurements in this experiment? What influence might these assumptions have on your interpretation of the results?

In this class, you will occasionally be asked to create a hypotheses, to interpret data, and to design experiments with proper controls. All of these skills take practice to master—we can start to practice them in BIS2A. Again, while we don’t expect you to be masters after reading this text, we will assume that you have read this text during the first week and that the associated concepts are not completely new to you. You can always return to this text as a resource to refresh yourself.

Clause de non-responsabilité

While the preceding treatment of the experimental method is very basic—you will undoubtedly add numerous layer of sophistication to these basic ideas as you continue in your studies—it should serve as a sufficient introduction to the topic for BIS2A. The most important point to remember from this section is that the knowledge represented in this course, while sometimes inadvertently represented as irrefutable fact, is really just the most current hypothesis about how certain things happen in biology that has yet to be falsified via experiment.

The Design Challenge

Your BIS2A instructors have devised something that we call “The Design Challenge” to help us approach the topics we cover in the course from a problem solving and/or design perspective. This teaching tool helps us:

• develop a frame of mind or way of approaching the material and
• design a set of sequential steps that help structure thinking about course topics in a problem-solving context.

How is it intended to work? When we encounter a topic in class, “The Design Challenge” encourages us to think about it in the following problem-solving centric way:

  1. Identify the problem(s) - this may include identifying "big" problems and also decomposing them into "smaller" nested sub-problems
  2. Determine criteria for successful solutions
  3. Identify and/or imagine possible solutions
  4. Evaluate the proposed solutions against the criteria for success
  5. Choose a solution

By using the structure of the design challenge, topics that are typically presented as lists of facts and stories are transformed into puzzles or problems that need solving. For instance the discussion about the topic of cell division is motivated by a problem. The problem statement can be: "The cell needs to divide". Some of the criteria for success can include needing to have a near identical copy of DNA in each daughter cell, distributing organelles between the daughter cells so that each remains viable etc. These would be considered sub-problems to the larger “the cell needs to divide” problem. One can then go on to explore what the challenges are and try to use existing knowledge and imagination to propose some solutions for each of those problems. Different solutions can be evaluated and then compared to what Nature seems to have done (at least in the cases that are well studied).

This exercise requires us to use imagination and critical thinking. It also encourages the student and instructor to think critically about Pourquoi the particular topic is important to study. The Design Challenge approach to teaching biology attempts to Fabriquer the student and instructor focus on the important core questions that drove the development of the knowledge in the first place! It also encourages students to dream up new ideas and to interact with the material in a manner that is question/problem-centered rather than “fact”-centered. The question/problem-centered approach is different from what most people are used to, but it is ultimately more useful for developing skills, mental frameworks and knowledge that will transfer to other problems that they will encounter during their studies and beyond.

Exemple

For example, the guiding problem in BIS2A is to understand “How to Build a Cell”. This rather complex problem will be broken down into several smaller sub-problems that include:

  • acquiring the building blocks to construct cellular parts from the environment
  • acquiring the energy to build cellular parts from the environment
  • transforming the building blocks of the cell between different forms
  • transferring energy between different storage forms
  • creating a new cell from an old cell
  • problems we identify in class

As we explore these sub-problems, we will at times explore some of the different ways in which biology has addressed each issue. As we get into details, let us however make sure to stay focused on and not forget the importance of always staying linked to the questions/problems that motivated us to talk about the specifics in the first plac

Scientific Method vs. The Design Challenge

At this point you might be thinking: "What is the difference between the scientific method and the design challenge rubric and why do I need both?" It's not an uncommon question so let's see if we can clarify this now.

The design challenge and the scientific method are both processes that share similar qualities. The critical distinguishing feature, however, is the purpose behind each of the processes. The scientific method is a process used for eliminating possible answers to questions. A typical scenario where one might use the scientific method would involve someone making an observation, proposing multiple explanations, designing an experiment that might help eliminate one or more of the explanations, and reflecting on the result. By contrast the design process is used for creating solutions to problems. A typical scenario for the design challenge would start with a problem that needs solving, defining criteria for a successful resolution, devising multiple possible solutions that would meet the success criteria and either selecting a solution or reflecting on changes that might be made to the designs to meet success criteria. A key operational difference is that the design challenge requires that criteria for success be defined while the scientific method does not.

While both are similar, the differences are still real and we need to practice both processes. We'll assert that we use both processes in "real life" all of the time. A physician, for instance, will use both processes interactively as she forms hypotheses that try to determine what might be causing her patient's ailments. She will turn around and use the design process to build a course of treatment that meets certain success criteria. A scientist may be deep into hypothesis generation but he will eventually need to use a design process for building an experiment that will, within certain definable success criteria, help him answer a question.

Both processes, while similar, are important to use in different situations and we want to begin getting better at both.

Modèles et hypothèses simplificatrices

Créer des modèles de choses réelles

La vie est compliquée. Pour nous aider à comprendre ce que nous voyons autour de nous, à la fois dans notre vie quotidienne et en science ou en ingénierie, nous construisons souvent des modèles. Un aphorisme commun déclare : tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles. That is, no matter how sophisticated, all models are approximations of something real. Bien qu'ils ne soient pas la « vraie chose » (et qu'ils soient donc faux), les modèles sont utiles lorsqu'ils nous permettent de faire des prédictions sur la vie réelle que nous pouvons utiliser. Les modèles se présentent sous diverses formes qui incluent, sans s'y limiter :

Types de modèles

  • Modèles physiques : Ce sont des objets 3D que nous pouvons toucher.
  • Dessins : Ceux-ci peuvent être sur papier ou sur ordinateur et en 2D ou en 3D virtuel. On les regarde surtout.
  • Modèles mathématiques : ils décrivent quelque chose dans la vie réelle en termes mathématiques. Nous les utilisons pour calculer le comportement de la chose ou du processus que nous voulons comprendre.
  • Verbal or written models: These models are communicated in written or spoken language.
  • Mental models: These models are constructed in our minds and we use these to create the other types of models and to understand the things around us.

Hypothèses simplificatrices


Usually, in science and everyday life alike, simple models are preferred over complex ones. Creating simple models of complex real things requires us to make what are known as hypothèses simplificatrices. As their name implies, hypothèses simplificatrices are assumptions that are included in the model to simplify the analysis as much as possible. When a simplified model no longer predicts behavior of the real thing within acceptable bounds, too many simplifying assumptions have been made. Lorsque peu de valeur prédictive est obtenue en ajoutant plus de détails à un modèle, il est probablement trop complexe. Examinons différents types de modèles de différentes disciplines et soulignons leurs hypothèses simplificatrices.

Un exemple de physique : un bloc sur un plan sans frottement

Figure 1. A line drawing that models a block (of any material) sitting on a generic incline plane. In this example some simplifying hypothèses are made. For instance, the details of the materials of the block and plane are ignored. Souvent, nous pourrions aussi, par commodité, supposer que l'avion est sans frottement. Les hypothèses simplificatrices allow the student to practice thinking about how to balance the forces acting on the block when it is elevated in a gravity field and to see that the surface it is sitting on is not perpendicular to the gravity vector (mg). Cela simplifie les mathématiques et permet à l'étudiant de se concentrer sur la géométrie du modèle et sur la façon de la représenter mathématiquement. The model, and its hypothèses simplificatrices, might do a reasonably good job of predicting the behavior of an ice cube sliding down an glass incline plane but would likely do a bad job of predicting the behavior of a wet sponge on an incline plane coated with sand paper. Le modèle serait trop simplifié pour ce dernier scénario.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (Travail personnel)

An example from biology: a ribbon diagram of a protein—the transmembrane protein bacteriorhodopsin

Figure 2. This is a cartoon model of the transmembrane protein bacteriorhodopsin. The protein is represented as a light blue and purple ribbon (the different colors highlight alpha helix and beta sheet, respectively), a chloride ion is represented as a yellow sphere, red spheres represent water molecules, pink balls and sticks represent a retinal molecule located on the "inside" of the protein, and orange balls-and-sticks represent other lipid molecules located on the "outside" surface of the protein. The model is displayed in two views. On the left the model is viewed "side on" while on the right it is viewed along its long axis from the extracellular side of the protein (rotated 90 deg out of the page from the view on the left). Ce modèle simplifie de nombreux détails au niveau atomique de la protéine. Il ne parvient pas non plus à représenter la dynamique de la protéine. Les hypothèses simplificatrices mean that the model would not do a good job predicting the time it takes for the protein to do its work or how many protons can be transported across a membrane per second. On the other hand, this model does a very good job of predicting how much space the protein will take up in a cellular membrane, how far into the membrane the retinal sits, or whether certain compounds can reasonably “leak” through the inner channel.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (propre travail), Université de Californie, Davis
Derived from PDBID:4FPD

Un exemple tiré de la chimie : un modèle de lignée moléculaire du glucose

figure 3. Un dessin au trait d'une molécule de glucose. By convention, the points where straight lines meet are understood to represent carbon atoms while other atoms are shown explicitly. Given some additional information about the nature of the atoms that are figuratively represented here, this model can be useful for predicting some of the chemical properties of this molecule, including solubility or the potential reactions it might enter into with other molecules. Les hypothèses simplificatrices, however, hide the dynamics of the molecules.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (Travail personnel)

Un exemple de la vie quotidienne : un modèle réduit d'une Ferrari

Figure 4. A scale model of a Ferrari. There are many simplifications and most only make this useful for predicting the general shape and relative proportions of the real thing. Par exemple, ce modèle ne nous donne aucun pouvoir prédictif sur la façon dont la voiture roule ou à quelle vitesse elle s'arrête à partir d'une vitesse de 70 km/s.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (Travail personnel)

Note: possible discussion

Décrivez un modèle physique que vous utilisez dans la vie de tous les jours. Qu'est-ce que le modèle simplifie par rapport à la réalité ?

Note: possible discussion

Décrivez un dessin que vous utilisez en classe de sciences pour modéliser quelque chose de réel. Qu'est-ce que le modèle simplifie par rapport à la réalité ? Quels sont les avantages et les inconvénients des simplifications ?

La vache sphérique

La vache sphérique est une métaphore célèbre en physique qui se moque des tendances des physiciens à créer des modèles extrêmement simplifiés pour des choses très complexes. De nombreuses blagues sont associées à cette métaphore et elles ressemblent à ceci :

"La production de lait dans une ferme laitière était faible, alors le fermier a écrit à l'université locale, demandant l'aide du milieu universitaire. Une équipe multidisciplinaire de professeurs a été constituée, dirigée par un physicien théoricien, et deux semaines d'enquête intensive sur place ont eu lieu Les savants sont ensuite retournés à l'université, les cahiers bourrés de données, où la tâche de rédiger le rapport a été laissée au chef d'équipe. Peu de temps après, le physicien est retourné à la ferme en disant au fermier : ne fonctionne que dans le cas de vaches sphériques sous vide".

Source : page Wikipedia sur Spherical Cow - consultée le 23 novembre 2015.

Figure 5. Une représentation de bande dessinée d'une vache sphérique.
Source : https://upload.wikimedia.org/wikiped.../d2/Sphcow.jpg
Par Ingrid Kallick (Travail personnel) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons

La vache sphérique est une façon amusante de ridiculiser le processus de création de modèles simples et il est fort probable que votre instructeur BIS2A invoque la référence à la vache sphérique lorsqu'un modèle trop simplifié de quelque chose en biologie est en cours de discussion. Soyez prêt pour cela !

Analyse bornée ou asymptotique

In BIS2A, we use models frequently. Sometimes we also like to imagine or test how well our models actually represent reality and compare that with expectations from what we know to be true for the real life thing. There are many ways to do this depending on how precisely you need to know the behavior of the thing you're trying to model. If you need to know a lot of detail, you create a detailed model. Si vous êtes prêt à vivre avec moins de détails, vous créerez un modèle plus simple. In addition to applying hypothèses simplificatrices, il est souvent utile d'évaluer votre modèle à l'aide d'une technique que nous appelons délimitation ou asymptotic analysis. The main idea of this technique is to use the model, complete with hypothèses simplificatrices, to understand how the real thing might behave at extreme conditions (e.g., evaluate the model at the minimum and maximum values of a variable). Examinons un exemple simple et réel du fonctionnement de cette technique.

Exemple : limite

Configuration du problème
Imaginez que vous deviez quitter Davis, CA et rentrer chez vous à Selma, CA pour le week-end. Il est 17h et tu as dit à tes parents que tu serais rentré à 18h30. Selma est à 200 miles (322 km) de Davis. Vous avez peur de ne pas rentrer à temps à la maison. Can you get some estimate of whether it's even possible or if you'll be reheating your dinner in the microwave?

Créer un modèle simplifié et utiliser la délimitation
Vous pouvez créer un modèle simplifié. Dans ce cas, vous pouvez supposer que la route entre Davis et Selma est parfaitement droite. Vous supposez également que votre voiture n'a que deux vitesses : 0 mph et 120 mph. Ces deux vitesses sont les vitesses minimale et maximale que vous pouvez parcourir, les valeurs limites. Vous pouvez maintenant estimer que même dans les hypothèses du "meilleur des cas" théorique, où vous conduirez sur une route parfaitement droite sans obstacles ni circulation à vitesse maximale, vous ne rentrerez pas chez vous à temps. À la vitesse maximale, vous ne couvririez que 180 des 200 milles requis en une heure et demie.

Interprétation
Dans cet exemple réel, un modèle simplifié est créé. Dans ce cas, un élément très important hypothèses simplificatrices est faite : la route est supposée droite et libre d'obstacles ou de circulation. Ces hypothèses vous permettent de supposer raisonnablement que vous pourriez conduire cette route à pleine vitesse sur toute la distance. Les hypothèses simplificatrices simplifié une grande partie de ce que vous savez être réellement présent dans le monde réel et qui influencerait la vitesse à laquelle vous pourriez voyager et, par extension, le temps qu'il faudrait pour faire le voyage. The use of bounding—or calculating the behavior of at the minimum and maximum speeds—is a way of making quick predictions about what might happen in the real world.

We will conduct similar analyses in BIS2A.

L'importance de connaître les hypothèses clés du modèle

Knowing what simplifying assumptions are made in a model is critical to judging how useful it is for predicting real life and for starting to make a guess about where the model needs improving if it is not sufficiently predictive. In BIS2A you will periodically be asked to create different types of models and to explicitly identify the hypothèses simplificatrices et l'impact de ces hypothèses sur l'utilité et la capacité prédictive du modèle. Nous utiliserons également des modèles avec délimitation exercices pour essayer d'apprendre quelque chose sur le comportement potentiel d'un système.


Voir la vidéo: BIS 105 lecture 4 (Août 2022).