2 · Structures and functions in living organisms

De la cellule au système

Une cellule devient plusieurs cellules ; plusieurs cellules forment des tissus, des organes et des systèmes ; et chaque système remplit les mêmes trois fonctions — absorber ce dont le corps a besoin, le transporter là où il sera utilisé, et éliminer ce qu'il ne doit pas conserver. Cette section constitue le cœur de la Biologie IGCSE : cellules et molécules, passage des substances à travers les membranes, nutrition chez les plantes et les humains, respiration, échanges gazeux, transport, excrétion et coordination.

Edexcel International GCSE Biologie 4BI1, Section 2 (énoncés 2.1–2.95) constitue la partie la plus importante du cours et alimente toutes les questions détaillées des deux épreuves. Les énoncés suffixés B sont l'extension pour sciences séparées (biologie seule) ; les étudiants en double diplôme apprennent le cœur sans lettre.

Organisation et cellules

L'organisation progresse vers le haut : organites → cellules → tissus → organes → systèmes.

2.5B Les cellules spécialisées se développent par différenciation cellulaire ; 2.6B les cellules souches peuvent remplacer les cellules endommagées — avantages : traitement de pathologies comme la paralysie ou la leucémie ; inconvénients : préoccupations éthiques concernant les embryons, risque de rejet et division incontrôlée.

Molécules biologiques et enzymes

Les glucides contiennent du C, H, O ; les protéines ajoutent du N ; les lipides sont du C, H, O avec beaucoup moins d'oxygène. Les grandes molécules sont des chaînes d'unités petites : amidon et glycogène à partir de sucres simples, protéine à partir d'acides aminés, lipide à partir d'acides gras et de glycérol. 2.9 Tests alimentaires : glucose — Benedict (chauffé, bleu → rouge brique) ; amidon — iode (jaune-brun → bleu-noir) ; protéine — Biuret (bleu → violet) ; graisse — émulsion éthanolique (couche blanche trouble).

Enzymes sont des catalyseurs biologiques : elles accélèrent les réactions métaboliques sans être consommées. Chacune possède un site actif que le substrat doit correspondre. Au-dessus d'une température optimale ou loin du pH optimal, le site actif change de forme (dénaturation) et l'enzyme ne fonctionne plus. Pratique 2.12/2.14B suit l'amylase digérant l'amidon à différentes températures ou pH avec de l'iode.

Mouvements entrant et sortant des cellules

Diffusion est le mouvement net des particules d'une concentration élevée vers une concentration basse (oxygène dans le sang). Osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane partiellement perméable d'une solution diluée vers une solution plus concentrée. Transport actif déplace des substances contre le gradient en utilisant l'énergie de la respiration (ions minéraux dans les cellules poilinaires racinaires). Le taux augmente avec le rapport surface/volume, le gradient de concentration et la température, et diminue avec la distance.

Nutrition

Plantes à fleurs. La photosynthèse convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans le glucose :

Facteurs limitants : concentration en dioxyde de carbone, intensité lumineuse, température — chacun augmente le taux jusqu'à ce qu'un autre facteur limite. Ions magnésium construisent la chlorophylle (carence jaunissant les feuilles) ; ions nitrates construisent les acides aminés. 2.23 : la potamogeton montre l'évolution d'oxygène ; test à l'iode sur une feuille après blocage de la lumière, CO₂ ou chlorophylle.

Humains. Un régime équilibré : glucides, protéines, lipides, vitamines A (vision nocturne), C (tissus conjonctifs), D (absorption du calcium), calcium (os) et fer (hémoglobine), eau, et fibres alimentaires. Les besoins énergétiques augmentent avec l'activité, la croissance (âge) et la grossesse. Le tube digestif — bouche → œsophage → estomac → duodénum et iléon → côlon et rectum, avec le pancréas fournissant des enzymes — déplace les aliments par péristaltisme. Digestion : amylase et maltase (amidon → glucose), protéases (protéine → acides aminés), lipases (lipide → acides gras + glycérol). Bile (fabriquée dans le foie, stockée dans la vésicule biliaire) neutralise l'acide gastrique et émulsifie les lipides en gouttelettes. La paroi de l'iléon est repliée en villosités : grande surface, parois d'une seule couche cellulaire, réseau capillaire dense — conçues pour l'absorption.

Respiration et échanges gazeux

La respiration libère de l’énergie à partir du glucose pour produire ATP, qui fournit l’énergie nécessaire aux contractions musculaires, à la synthèse des protéines et au transport actif. Aérobie : glucose + oxygène → dioxyde de carbone + eau (équation symbolique : C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O). Anaérobie (sans oxygène) : chez les animaux, glucose → acide lactique (moins d’énergie, dette en oxygène) ; chez les plantes et les levures, glucose → éthanol + dioxyde de carbone.

Plantes (2.40B–2.45B). Les gaz se déplacent par diffusion à travers les stomates ; la forme plate de la feuille, les espaces aériens et les surfaces fines et humides favorisent les échanges gazeux, tout comme ils le font pour la photosynthèse. En journée, la photosynthèse domine sur la respiration, donc l’échange net est un apport de CO₂ et une sortie d’O₂ ; la nuit, seule la respiration se poursuit (apport net d’O₂, sortie de CO₂). L’indicateur hydrogénocarbonate montre cela : orange → jaune avec CO₂ (obscurité), orange → violet avec moins de CO₂ (lumière vive).

Humains (2.46–2.50). Le thorax : côtes, muscles intercostaux, diaphragme, trachée → bronches → bronchioles → alvéoles, tous situés dans les plèvres. Inspiration : contraction des muscles intercostaux et du diaphragme, augmentation du volume thoracique, baisse de pression et entrée d’air. Le tabagisme endommage les alvéoles (emphysème), obstrue les artères et augmente le risque de maladie coronarienne.

Transport

Les organismes unicellulaires gèrent uniquement par diffusion — chaque partie est proche de la surface. Les organismes multicellulaires nécessitent des systèmes de transport.

Plantes. Le xylème transporte l’eau et les ions minéraux des racines vers les feuilles ; le phloème transporte le saccharose et les acides aminés entre les feuilles et le reste de la plante. B-extension : les cellules poil absorbant absorbent l’eau par osmose ; la transpiration est l’évaporation de l’eau depuis les surfaces, principalement via les stomates, plus rapide en faible humidité, fort vent, haute température et lumière vive.

Humains. Sang : plasma (transporte CO₂, aliments digérés, urée, hormones, chaleur), globules rouges (disques biconcaves, sans noyau, remplis d’hémoglobine — grande surface et court trajet de diffusion pour l’oxygène), globules blancs (phagocytes ingèrent les pathogènes ; lymphocytes sécrètent des anticorps spécifiques), et plaquettes (coagulation, B-extension ; la vaccination développe des cellules mémoire, B-extension).

Le côté droit du cœur pompe le sang vers les poumons, le côté gauche vers le corps ; l’exercice et l’adrénaline augmentent la fréquence cardiaque. Les artères transportent le sang à haute pression (parois épaisses et élastiques), les veines le ramènent à basse pression (lumière large, valvules), les capillaires échangent les substances (parois d’une seule cellule). Les facteurs de risque de maladie coronarienne incluent le tabagisme, un régime riche en graisses et le manque d’activité physique.

Excrétion

Les plantes rejettent les déchets O₂ et CO₂ par les stomates. Les humains excrètent le CO₂ (poumons), l'urée + eau + ions (reins — l'eau et l'urée se trouvent également dans la sueur). B-extension : le rein filtre le sang dans les néphrons (ultrafiltration du glomérule vers la capsule de Bowman ; réabsorption sélective de toute la glucose au tube contortu proximal ; réabsorption d'eau du canal collecteur sous l'action de l'ADH — osmorégulation). L'urine contient de l'eau, de l'urée et des ions ; le système urinaire suit le trajet : reins → uretères → vessie → urètre.

Coordination et réponse

L'homéostasie maintient l'environnement interne constant (teneur en eau, température). Une réponse coordonnée nécessite stimulus → récepteur → coordinateur → effecteur. Les plantes répondent à la lumière (phototropisme) et à la gravité (géotropisme) — les tiges poussent vers la lumière, les racines vers le bas — contrôlé par l'auxine s'accumulant sur le côté ombragé d'une tige.

Le contrôle nerveux est électrique, rapide et de courte durée ; le contrôle hormonal est chimique dans le sang, plus lent et de longue durée. Le SNC (cerveau et moelle épinière) relie les organes sensoriels par des nerfs ; au niveau d’une synapse, un neurotransmetteur transmet le signal entre neurones.

L’œil met au point en modifiant la forme du cristallin (proche : plus courbé) et réagit à la lumière via la pupille. Contrôle thermique cutané : transpiration refroidit par évaporation ; vasodilatation dissipe la chaleur ; vasoconstriction la conserve. Hormones : adrénaline (glandes surrénales — combat ou fuite), insuline (pancréas — abaisse la glycémie), testostérone (testicules), progestérone et œstrogène (ovaires) ; B-extension ajoute l’ADH (hypophyse), la FSH et la LH (hypophyse — cycle menstruel).

Erreurs fréquentes.

• Dire que les enzymes sont tuées à haute température. Les enzymes ne sont pas vivantes : le site actif change de forme (l'enzyme est dénaturée), donc le substrat ne correspond plus.
• Dire que l'eau se déplace par osmose d'une solution concentrée vers une solution diluée. L'eau se déplace d'une solution diluée (plus d'eau) vers une solution plus concentrée, à travers une membrane semi-perméable.
• Dire que les plantes font la photosynthèse le jour et respirent uniquement la nuit. Les plantes respirent tout le temps ; le jour, la photosynthèse est plus rapide, donc l'échange gazeux net est $\text{CO}_2$ entrant et $\text{O}_2$ sortant.
• Dire que les poumons aspirent l'air. Lors de l'inspiration, les muscles intercostaux et le diaphragme se contractent, le volume de la cage thoracique augmente et la pression diminue, donc l'air est poussé vers l'intérieur par la pression extérieure plus élevée.
• Dire que les artères transportent du sang oxygéné et les veines du sang désoxygéné. Les artères transportent le sang éloigné du cœur, les veines vers lui ; l'artère pulmonaire transporte du sang désoxygéné.
• Dire que les globules rouges n'ont pas de noyau « pour transporter l'oxygène ». Nommer l'avantage : cela laisse plus de place pour l'hémoglobine, afin que chaque cellule transporte davantage d'oxygène.
• Confondre nerfs et hormones. Les réponses nerveuses sont électriques, rapides et de courte durée ; les réponses hormonales circulent dans le sang, sont plus lentes et durent plus longtemps.
• Dire que l'auxine fait plier la tige en provoquant sa croissance du côté éclairé. L'auxine s'accumule sur le côté ombragé, les cellules s'allongent davantage de ce côté, et la tige se courbe vers la lumière.

Vérifiez-vous

1. Mettre en ordre décroissant de taille : cellule, organe, organite, système, tissu.
2. Citez deux structures qu'une cellule végétale possède mais qu'une cellule animale n'a pas, et deux structures possédées par les deux types de cellules.
3. Nommer les petites unités constitutives des protéines, de l’amidon et des lipides.
4. Énoncer les changements de couleur observés lors des tests de Benedict, d’iode et de Biuret.
5. Pourquoi le chauffage d'une enzyme bien au-delà de son optimum l'arrête-t-il?
6. Distinguez la diffusion, l'osmose et le transport actif en une phrase chacun.
7. Écrivez l'équation symbolique équilibrée pour la photosynthèse et la respiration aérobie.
8. Donnez deux adaptations de la feuille pour la photosynthèse et deux de l'alvéole pour les échanges gazeux.
9. Pourquoi un organisme unicellulaire peut-il survivre sans système de transport ?
10. Comparez artères, veines et capillaires par épaisseur de paroi, taille du lumen et fonction.
11. Décrivez ce qui arrive au glucose, à l'eau et à l'urée alors que le liquide traverse un néphron (B).
12. Indiquez le trajet d'un arc réflexe et donnez un avantage des réflexes.

Réponses : 1 organite → cellule → tissu → organe → système ; 2 paroi de cellulose et chloroplastes (et une grande vacuole permanente) ; les deux possèdent un noyau, du cytoplasme, une membrane cellulaire, des mitochondries et des ribosomes (deux au choix) ; 3 acides aminés ; sucres simples ; acides gras et glycérol ; 4 Benedict bleu → rouge brique (avec glucose, chauffé) ; iode jaune-brun → bleu-noir (avec amidon) ; Biuret bleu → violet (avec protéine) ; 5 le site actif change de forme (dénaturation) de sorte que le substrat ne correspond plus ; 6 diffusion — mouvement net le long d'un gradient de concentration ; osmose — eau uniquement, à travers une membrane semi-perméable ; transport actif — contre le gradient, utilisant de l'énergie ; 7 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (lumière, chlorophylle) ; C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O ; 8 feuille : surface large et plane et cellules palissadiques chargées de chloroplastes (ou espaces aériens/stomates) ; alvéole : parois d'une seule couche de cellules et superficie immense (surface humide, réseau capillaire) ; 9 sa superficie est grande par rapport à son volume, de sorte que la diffusion atteint toutes les parties suffisamment rapidement ; 10 artères — parois musculaires épaisses, lumière étroite, transportent le sang éloigné à haute pression ; veines — parois fines, lumière large, valves, ramènent le sang à basse pression ; capillaires — parois d'une seule couche de cellules, échangent des matières ; 11 (B) toute la glucose est réabsorbée sélectivement dans le sang au niveau du tube contortu proximal ; l'eau est réabsorbée du canal collecteur (contrôlée par l'ADH) ; l'urée n'est pas réabsorbée et quitte l'organisme avec l'eau et les ions dans les urines ; 12 stimulus → récepteur → neurone sensitif → neurone relais (CNS) → neurone moteur → effecteur ; les réflexes sont rapides et automatiques, protégeant le corps avant qu'un dommage ne survienne.