Chapitre 2 - Découvertes en Cytologie et en Biologie cellulaire

**« Cella »**

L’objet de « Découvertes en Cytologie et en Biologie cellulaire » est de retracer l’émergence et le développement de la Biologie cellulaire à travers la découverte des principaux organites subcellulaires et de leurs fonctions dans l’économie de la cellule. Pour cette branche de la biologie, l’énoncé de la Théorie cellulaire au XIX^e siècle représente une avancée conceptuelle majeure qui est à la base de nos connaissances actuelles sur l’organisation, le fonctionnement et la reproduction des êtres vivants. On peut l’énoncer ainsi : (i) la cellule est la forme élémentaire présente chez tous les êtres vivants ; (ii) tous les êtres vivants sont composés d’une ou de plusieurs cellules ; (iii) toute cellule est issue de la division d’une cellule préexistante ; (iv) l’activité d’un organisme est la somme de l’activité métabolique des cellules individuelles ; (v) la cellule est l’unité fondamentale de la structure et de la fonction chez les organismes vivants. On a dit de la Théorie cellulaire qu’elle est « unificatrice » : les informations obtenues en étudiant les cellules de parenchyme d’orchidée peuvent aider à comprendre l’organisation et le fonctionnement des cellules de souris, d’une amibe ou d’un streptocoque. Pour le cytologiste Edmund Beecher Wilson, la Théorie cellulaire est, avec la Théorie de l’évolution, l’une des deux grandes généralisations en biologie. Dans ce chapitre, je donne un aperçu de la démarche scientifique qui, à partir d’observations d’anatomie microscopique comparée, a conduit à son énoncé.

Référence : Wilson E.B. The Cell in Development and Inheritance (1896)

Ouvrages de référence : Maienschein J Companion to the History of Modern Science, Cell Theory and Development, ed. R.C. Olby et al., Routledge (1990)
Harris, H The Birth of the Cell, Yale University Press (1999)

**« Micrographia » : naissance de la cellule au XVII^e siècle**

Divers ouvrages et publications du XVII^e siècle renferment des illustrations montrant la présence au sein des tissus d’unités élémentaires dont certaines n’étaient peut-être que des artefacts dûs aux défauts de l’optique des microscopes. Les tissus observés étaient surtout végétaux ; la paroi cellulosique rigide des cellules végétales est visible au microscope optique. C’est ainsi que la cytologie et l’histologie furent à l’origine des sciences de botanistes.

Coupe d’écorce de chêne. A la place de cellules végétales juxtaposées, dont ne subsiste que la paroi cellulosique, on voit au microscope optique des cavités vides. Les cellules végétales possèdent, comme les cellules animales, une membrane péricellulaire phospholipidique, la membrane plasmique. Les cellules végétales, les bactéries, les algues et les champignons possèdent en plus une paroi externe rigide, composée essentiellement de cellulose, de pectines et d’alginate.

L’inventeur du terme « cellule » (du latin cella « petite chambre, alvéole ») est Robert Hooke. Il reçut son éducation à la Westminster School puis à Oxford University. Il devint l’assistant du physico-chimiste Robert Boyle, auteur de la première loi sur les gaz. Brillant scientifique, le « Léonard d’Angleterre », comme l’appelait l’historien des sciences Allan Chapman, eut de multiples centres d’intérêt dont la micro-anatomie des tissus végétaux. Il utilisa d’abord un microscope simple (loupe) puis l’un des premiers « microscopes composés » (grossissement 50X) construit en 1660 par l’opticien londonien Christopher Cook. Il observa dans des coupes d’écorce des alignements de petites chambres carrées ou hexagonales juxtaposées, les « minute bodies », séparées les unes des autres par des parois (la paroi cellulosique des cellules végétales est surtout visible dans les tissus « durs »). Il étendit ses observations aux tissus « mous » de fougère, fenouil, carotte, sureau… dans lesquels il nota la présence de vaisseaux remplis de fluide (sève). En 1665, il publia un ouvrage de vulgarisation amplement illustré, avec la fameuse représentation de coupes d’écorce d’épiderme d’orchidées. Hooke fut l’un des fondateurs de la Royal Society dont il devint le Curator of experiments, responsable des expériences lors des réunions, et, plus tard, Fellow et Secrétaire (1677-1683). Il publia en 1664 son célèbre ouvrage « Micrographia » dans lequel il décrit ses observations microscopiques de minéraux, d’insectes et de coupes de végétaux (dont celles de liège).

Référence : Hooke R Micrographia, or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon (1665)

En 1670, cinq ans après la parution de Micrographia, parvinrent presque simultanément à la Royal Society les mémoires de Nehemia Grew, en 1672, et de Marcello Malpighi, en 1675 et 1679. La notoriété de Marcello Malpighi est largement fondée sur ses recherches en anatomie et histologie des tissus animaux ; il est considéré comme le fondateur de l’anatomie et de l’histologie microscopiques. Les recherches de Malpighi attirèrent l’attention des membres de la Royal Society, qui prirent en charge la publication de ses résultats et l’associèrent en qualité de membre étranger. Malpighi était médecin, anatomiste et professeur à l’Université de Bologne, l’une des plus anciennes universités d’Europe, fondée en 1119. En ce qui concerne l’anatomie microscopique des tissus végétaux, il décrivit, en 1675, la présence d’utricules (utriculi, petites bouteilles) et de saccules (sacculae, petits sacs) juxtaposés dans la tige du pourpier (portulaca). Il décrit le tissu végétal comme un assemblage de petites cavités juxtaposées qui sont en réalité les parois rigides de cellules végétales ; il tente d’établir des analogies entre l’architecture microscopique organisée des tissus végétaux, et ce qu’il a observé chez l’animal au cours de ses observations d’alvéoles pulmonaires ou de vaisseaux sanguins. Il émit la suggestion prémonitoire qu’il existe une analogie de structure entre tissus osseux et ligneux.

Référence : Malpighi M Anatome Plantarum (1675-1679)

Nehemia Grew fit ses études à Cambridge (Pembroke College) puis à l’Universiteit Leiden, la plus ancienne université des Pays-Bas, fondée en 1575, où il passa sa thèse de médecine. Il commença une pratique à Londres où il devint un médecin renommé. Sa passion pour la botanique put s’exprimer en 1664, année où il commença son étude de l’anatomie microscopique des tissus végétaux. Dès ses premières observations il eut l’intuition que les fleurs jouent un rôle dans la reproduction ; il identifia leurs organes sexuels : calice, étamines, pistil. Plus tard, à la suite d’entretiens avec Sir Thomas Millington (Sedleian Professor of Natural Philosophy), Grew tira la conclusion que le pollen et les étamines constituent les organes reproducteurs mâles, et le pistil l’organe reproducteur femelle. En 1672, il entreprit l’étude de l’anatomie des tissus et des graines du haricot commun En 1673, il publia un ouvrage rassemblant ses observations sur les racines des plantes ; il contenait sept planches avec 65 représentations graphiques de racines à divers degrés de grossissement. Il décrivit les « radicelles » et deux types de structures : des vaisseaux creux et continus et un tissu spongieux non spécialisé auquel il donna le nom de « parenchyme ».

Ses travaux valurent à Grew d’être nommé Fellow de la Royal Society (fondée en 1660) puis Secrétaire en 1667. En 1682, il présenta à la Society un ouvrage de botanique en quatre volumes, illustré de 80 planches gravées détaillant l’anatomie microscopique des tissus végétaux. Il y décrivait le parenchyme comme une structure essentiellement formée de bubbles (bulles) et de bladers (vessies) juxtaposées.

Références : Grew N The Anatomy of Vegetable Begun (1672)
Grew N Idea of a Phytological History (1673)
Grew N The Anatomy of Plants (1682)

Les cellules ont un noyau

Anthonie van Leeuwenhoek fut peut-être le premier à observer le noyau cellulaire, au début du XVIII^e siècle. Dans une lettre envoyée en 1702 à la Royal Society de Londres, il mentionna la présence d’un point lumineux au centre des globules rouges de poissons : « …a clear sort of light in the middle ». Je rappelle que chez les Vertébrés, à l’exception des Mammifères, les globules rouges sont des cellules nucléées. Vingt ans plus tôt, il avait déjà noté la présence de globules dans les cellules sanguines de morue et de saumon, mais, comme le fait remarquer Henry Harris : Leeuwenhoek saw globules everywhere. Pendant des années (de 1791 à 1798), le botaniste Franz A. Bauer fit une abondante collecte d’observations sur les plantes qui poussent en Europe. Il publia une série de planches reproduisant avec une grande fidélité les données recueillies. La valeur esthétique de ces représentations leur valurent un grand succès auprès des botanistes. Sur une planche datant de 1802, il montre des cellules de l’orchidée Bletia Tankervilliae avec un ou plusieurs noyaux. Avant sa découverte par Robert Brown, le noyau – une structure ronde au sein des cellules végétales – avait été « vu » par plusieurs microscopistes.

Références : Harris H The Birth of the Cell, Yale University Press (1999)
Bauer FA Illustrations of Orchidaceous Plants. With Notes and Prefatory Remarks by John Lindley (1838)

Brown commença en 1795 une carrière de chirurgien dans l’armée. Son intérêt pour la botanique s’éveilla alors qu’il résidait en garnison en Irlande. Grâce à l’appui du Président de la Royal Society, il participa, de 1801 à 1805, à l’expédition du H.M.S. Investigator sur les côtes de l’Australie. Il en ramena des milliers d’espèces végétales, ce qui lui valut d’être nommé gardien puis conservateur des collections botaniques du British Museum. Il publia un ouvrage dans lequel il décrivit les espèces végétales rapportées d’Australie. Muni d’un excellent microscope fabriqué à Londres par Banks & Sons et Dollon, Brown étudiait le mécanisme de la fécondation chez les orchidées et des Asclepiadaceae. En observant leurs tissus, il nota la présence d’une structure circulaire, une tache légèrement opaque, dans toutes les cellules de l’épiderme des feuilles et des pétales d’orchidées. Brown eut le génie de comprendre qu’il ne s’agissait pas d’un artefact mais d’un organite inconnu. Il donna à cette « aréole circulaire »,, unique au sein de la cellule le nom de nucleus (pépin en latin). En 1831, il exposa le résultat de ses observations à la Linnean Society, dont il devint membre puis président de 1849 à 1853.

Références : Brown R Prodromus Florae Novae Hollandiae (1810)
Brown R Observations on the Organs and Mode of Fecondation in Orchideae and Asclepiadaceae (1833)

A la différence du noyau de la cellule végétale, le noyau des cellules animales ne fit pas l’objet d’une découverte, à proprement parler. Son existence s’est imposée progressivement, en partie par déduction logique. En 1825, Jan Evangelista Purkinje découvrit la vesicula germinativa de l’ovocyte de poule, qui n’est autre que le noyau du gamète femelle. En 1835, Rudolf F.J.H. Wagner, professeur de Zoologie et d’Anatomie comparée à l’Université d’Erlangen, mena une série d’observations microscopiques de la vésicule germinative de l’œuf de plusieurs espèces animales. Il nota la présence constante, au centre de la vésicule germinative, d’une petite tache sombre, distincte au centre qu’il nomma macula germinativa. Il s’agit de la première description du nucléole. Lorsque, en 1838, Theodor Schwann compara les résultats de ses travaux avec ceux de Matthias Schleiden, il en vint à la conclusion logique que les cellules animales, comme les cellules végétales possèdent toutes un noyau.

Référence : Wagner RFJH Lehrbuch der vergleichenden Anatomie (1834-35)

Un oublié de l’histoire des sciences : René Joachim Henri Dutrochet

« Tout tissu vivant est une collection de cellules. »

Dutrochet, 1824

René Joachim Henri du Trochet était le descendant d’une famille d’ancienne noblesse chassée de France et ruinée par la Révolution. Il regagna son pays après la chute de Robespierre et changea son nom en Dutrochet. A 26 ans, il mena brillamment à terme des études de médecine. Il participa à la guerre d’Espagne comme médecin des armées napoléoniennes avant de se retirer dans la propriété de campagne de sa mère où il entama, à 30 ans, une carrière de chercheur autodidacte dans un appentis de jardin transformé en laboratoire, et avec un jeune paysan illettré comme assistant. Il adopta l’approche matérialistique préconisée par Lazzaro Spallanzani, professeur d’histoire naturelle à l’Université de Pavie, adepte inconditionnel de la méthode expérimentale en sciences naturelles. C’est dans cet esprit que Dutrochet aborda l’étude de la structure des tissus ; il remplaça la dissociation par macération dans l’eau, en vogue chez les naturalistes, par un traitement énergique à l’acide nitrique à chaud. Il observa au microscope la formation d’agrégats de petites vésicules « celluleuses » ou « tubuleuses ». Allant à l’encontre de l’idée, courante à l’époque, selon laquelle plantes et animaux ont des structures totalement différentes, Dutrochet, à la suite de l’examen microscopique de nombreux tissus, énonça l’idée que tous les êtres vivants sont formés de cellules. Proclamer que la cellule est l’unité de base des tissus végétaux et animaux, c’était formuler un dogme de la théorie cellulaire plus d’une décennie avant Schleiden et Schwann, Dutrochet soutint que la cellule est une entité vivante autonome, entourée d’une membrane, qui s’associe à d’autres cellules pour former l’organisme. C’est au sein de la cellule que se déroulent les processus physiologiques essentiels : « la cellule est le point de départ de toute organisation ». Dutrochet a joué un rôle fondamental dans l’élaboration de la théorie cellulaire.

En cherchant à comprendre comment se font les échanges des cellules avec le milieu extérieur, Dutrochet a démontré que les liquides traversent les membranes cellulaires du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré. La découverte du phénomène d’osmose – endosmose et exosmose – qui établit sa renommée en Europe – est une explication de la physiologie cellulaire par des lois physico-chimiques sans recours à un fluide vital. L’eau et les nutriments pénètrent dans la cellule en traversant la membrane cellulaire et les déchets en sortent en la traversant en sens inverse.

Références : Dutrochet RJH Recherches anatomiques et physiologiques sur la structure intime des animaux et des végétaux (1824)
Dutrochet RJH Mémoires pour servir à l’histoire anatomique et physiologique des végétaux et des animaux (1837)

Le contenu des cellules

Au XIX^e siècle, le terme protoplasme désignait la matière vivante à l’intérieur de la cellule, l’ensemble des composants vivants entourés par la membrane plasmique. A l’époque où ce terme a été popularisé par Jan Evangelista Purkinje, les microscopes ne permettaient pas d’observer en détail l’intérieur des cellules ; on l’imaginait comme une gelée homogène. En ce qui concerne sa composition, à la lumière de nos connaissances actuelles, on peut définir le protoplasme comme un mélange de substances organiques – protéines, lipides, glucides -, de sels minéraux et d’eau. Il se divise en cytoplasme, entre la membrane cellulaire et le noyau, avec le cytosol et les organites subcellulaires, et en nucléoplasme : le contenu fluide à l’intérieur du noyau de la cellule. L’usage du terme « protoplasme » est aujourd’hui tombé en désuétude ; on le remplace par : cytoplasme, cytosol et organites subcellulaires.

Félix Dujardin, professeur de zoologie et de botanique à l’Université de Rennes observait au microscope optique des formes vivantes primitives, des protozoaires unicellulaires : Ciliés, Rhizopodes et Foraminifères. Il remarque que lorsqu’il écrase délicatement la coquille de ces êtres unicellulaires, il s’en échappe une substance translucide, visqueuse et insoluble dans l’eau, une « gelée vivante ». Il obtient un résultat similaire en plaçant les Rhizopodes en milieu hypotonique (eau) ; il décrit une substance « glutineuse, diaphane, insoluble dans l’eau, s’attachant aux aiguilles de dissection, se contractant en masses globuleuses ». Convaincu d’avoir découvert la substance fondamentale, la matière brute qui permet aux animaux inférieurs de se mouvoir, se nourrir et de vivre. Dujardin décide de lui donne le nom de sarcode (sarx signifie « chair » en grec).

Référence : Dujardin F Observations sur les Rhizopodes (1835)

Jan Evangelista Purkinje occupait la chaire de physiologie et de pathologie de l’Université de Breslau ; en 1839, il fonda le premier Institut de Physiologie en Allemagne. Autour de lui se groupèrent un certain nombre de collaborateurs et d’élèves ; le rayonnement de l’École de Breslau fit de l’ombre à l’École de Berlin de Johannes Peter Müller. Équipé d’un microscope à objectif achromatique fabriqué par l’opticien autrichien Simon Pössl, Purkinje était un expert reconnu en anatomie microscopique. En 1836, il baptisa « parenchyme » le contenu des cellules des nerfs. En observant de très jeunes embryons de vertébrés, ainsi que divers tissus animaux, Purkinje et Gabriel G. Valentin notèrent que le parenchyme est une substance granuleuse, fluide ou gélatineuse, parsemée de corpuscules, de granules, de fibrilles. En 1839, il donna une conférence devant les membres d’une société savante (Société silésienne pour la culture patriotique) au cours de laquelle il décrivit cette substance formatrice primitive des jeunes embryons animaux, à laquelle il donna le nom de « protoplasme » (du grec protos, premier) ; il considérait que cette structure gélatineuse était la substance vivante fondamentale à l’origine de la différenciation des tissus embryonnaires animaux. Il fit le rapprochement avec le fluide vital décrit par plusieurs auteurs dans les cellules végétales.

Référence : Purkinje JE, Valentin G De phenomeno generali et fundamentali motus vibratorii continui… obvii. Commentatio physiologica (1836)

Hugo von Mohl confirmera, en 1846, la pertinence de ce rapprochement entre les deux règnes. Après de brillantes études de Médecine à l’Université de Tübingen, où il fut nommé professeur de botanique dans cette même université en 1832. Mohl était un spécialiste de l’étude microscopique de l’anatomie et de l’histologie des végétaux. En 1846, au cours de l’étude du « sac primitif » (utriculus primordialis) des dicotylédones : sureau (Sambucus ebulus), figuier (Ficus carica), pin (Pinus sylvestris). Observant les mouvements contractiles qui l’agitent, il pense être en présence du milieu organique primitif au sein duquel se forme le noyau et les futures cellules. En 1846, l’utriculus primordialis fut assimilée au protoplasme. En 1850, Ferdinand Julius Cohn, professeur à l’Université de Breslau, proposa que le terme « protoplasme » désigne la substance fondamentale des cellules animales et végétales.

Référence : Von Mohl H Vermischte Schriften botanischen Inhalts (1845)

Le protoplasme : unité de base du vivant ?

« A very distinguished organic chemist… said to me in the late eighties, The chemistry of the living ? That is the chemistry of protoplasm… »

Sir Frederick Gowland Hopkins

« Il y a une substance vivante, le protoplasma, qui donne naissance à la cellule et qui lui est antérieure »

Claude Bernard

« En ce temps-là Dieu expliquait tout. Depuis, quelques-uns ont remplacé Dieu par le protoplasme… »

Anatole France

Max J.S. Schultze, professeur d’Anatomie et de Zoologie à l’Université de Bonn, était un expert en anatomie microscopique ; à l’issue de ses observations, il a conclu que le sarcode des cellules animales et le protoplasme des cellules végétales désignent la même entité ; c’était une confirmation de ce que Ferdinand J. Cohn (Universität Breslau), équipé d’un microscope construit par Simon Plössl, avait déjà souligné dix ans plus tôt, au début des années 1850. La Théorie protoplasmique du vivant résulte de la convergence des travaux effectués entre 1835 et 1870 par Félix Dujardin (le sarcode des foraminifères), Jan Evangelista Purkyně (le protoplasme des embryons et des cellules animales) et Hugo von Mohl (le protoplasme des cellules végétales). En 1861, en réalisant une synthèse des résultats, Schultze signa l’acte de naissance de la théorie protoplasmique unifiée : la cellule est « une petite masse de protoplasme pourvue d’un noyau ». La théorie protoplasmique repose sur trois principes : (i) le siège de la vie est une substance universelle, chimiquement et physiquement similaire chez les animaux et les végétaux ; (ii) la membrane cellulaire est une enveloppe à l’intérieur de laquelle le protoplasme, la « matière première » semi-fluide, visqueuse, animée de courants protoplasmiques permanents, est la base physique des manifestations vitales : mouvement, nutrition, reproduction ; (iii) l’affirmation que la vie est une propriété physico-chimique inhérente à une « matière première » équivaut à un rejet du Vitalisme en faveur du matérialisme scientifique. De la fin du XIX^e jusqu’au début du XX^e siècle, la Théorie protoplasmique du vivant fit l’objet de multiples spéculations ; c’était une mise en cause de la théorie cellulaire de Matthias Schleiden. En réduisant l’être humain à une sorte de matérialité. la théorie heurtait la position officielle de l’establishment religieux et universitaire.

Références : Schultze MJS Über Muskelkörperchen, und das was man eine Zelle zu nennen habe (1861)
Schultze MJS Das Protoplasma der Rhizopoden und der Pflanzenzellen; ein Beiträg zur Theorie der Zelle (1863)
Cohn FJ Untersuchungen über die Entwicklungsgeschichte der Mikroskopischen Algen und Pilze (1854)

La conception que l’on se faisait de la cellule – un noyau par cellule – fut ébranlée par le fait qu’il existe des entités plurinucléées à l’intérieur d’une seule membrane limitante ; c’est le cas des myxomycètes au stade plasmodial ; le plasmode, entouré d’une mince membrane, se déplace pour phagocyter bactéries, levures, champignons microscopiques ; c’est encore le cas des cénocytes des protozoaires flagellés, des organes des rotifères, des cellules hépatiques des mammifères, des poly caryocytes de la moelle osseuse, des fibres musculaires striées, des zoospores cœnocytiques des algues. L’existence de structures au sein desquelles les noyaux peuvent se diviser un grand nombre de fois en l’absence de division cellulaire fut perçue par certains comme une remise en cause de la théorie cellulaire. Dans l’ouvrage qu’il fit paraître en 1880, et qui eut une large audience, Johannes L.E.R. von Hanstein présentait le protoplasme comme le « porteur (träger) de la vie » chez les végétaux et les animaux. Heinrich Anton de Bary, professeur de Botanique à l’Université de Strasbourg, allait dans le même sens ; l’existence d’une masse de protoplasme plurinucléé au stade plasmodial du cycle vital des formes vivantes primitives (mycètes, algues, Trachéophytes) est une preuve de la prééminence du protoplasme sur les autres structures cellulaires ; il renferme les structures essentielles à l’expression de la vie.

Références : Von Hanstein JLER Das Protoplasma als Träger der pflanzlichen und thierischen Lebensverrichtungen (1880)
De Bary HA Vergleichende Morphologie und Biologie der Pilze, Mycetozoen und Bakterien (1884)

Références : von Brücke EW Die elementar organismen (1861)
Huxley TH On the Physical Basis of Life (1869)
Verworn M Die Bewegung der lebendigen Substanz (1892)
Verworn M Die physiologische Bedeutung des Zellkerns (1892)
Thomson CW The Depths of the Sea (1873)

Comment définir le protoplasme ? A la fin du XIX^e siècle, il y a autant de définitions que d’auteurs l’ayant étudié : il contient de l’azote (des protéines) ; sa consistance s’apparente à celle d’une gelée : « glutineuse, diaphane, insoluble dans l’eau », selon Dujardin ; il est instable et doté de mouvements contractiles ; il est impliqué dans la locomotion cellulaire, le processus vital par excellence ; il est organisé : on y voit des granules, des fibrilles, un réseau réticulaire. Il renferme des structures intermédiaires (organites) assurant les réactions vitales et peut être même la transmission des caractères héréditaires.

La conception que l’on se faisait de la cellule – une cellule, un noyau – fut ébranlée par le fait qu’il existe des entités plurinucléées à l’intérieur d’une seule membrane limitante ; c’est le cas des myxomycètes au stade plasmodial ; le plasmode, entouré d’une mince membrane, se déplace pour phagocyter bactéries, levures, champignons microscopiques… c’est encore le cas des cénocytes des protozoaires flagellés, des organes des rotifères, des cellules hépatiques des mammifères, des poly caryocytes de la moelle osseuse, des fibres musculaires striées, des zoospores cœnocytiques des algues. L’existence de structures au sein desquelles les noyaux peuvent se diviser un grand nombre de fois en l’absence de division cellulaire fut perçue par certains comme une remise en cause de la théorie cellulaire. Dans l’ouvrage qu’il fit paraître en 1880, et qui eut une large audience, Johannes L.E.R. von Hanstein présentait le protoplasme comme le « porteur (träger) de la vie » chez les végétaux et les animaux. Heinrich Anton de Bary, professeur de Botanique à l’Université de Strasbourg, alla dans le même sens ; l’existence d’une masse de protoplasme plurinucléé au stade plasmodial du cycle vital des formes vivantes primitives (mycètes, algues, Trachéophytes) est une preuve de la prééminence du protoplasme sur les autres structures cellulaires ; il renferme les structures essentielles à l’expression de la vie.

Parmi les plus fervents adeptes de la Théorie protoplasmique figure Ernst W. von Brücke, professeur de physiologie à l’Université de Vienne et membre du groupe des médecins berlinois matérialistes et anti-vitalistes, qui plaidaient pour une approche physico-chimique en physiologie. Pour Thomas H. Huxley, chirurgien de la Royal Navy, spécialiste d’anatomie et de physiologie comparées, le protoplasme est la base physique de la vie, comme le proclame le titre de la conférence qu’il donna à Edimbourg en 1868 : « On the Physical Basis of Life » ; elle eut un grand retentissement et fit l’objet d’une publication ; elle faisait suite à la découverte dans un sédiment marin d’une substance albumineuse que Huxley nomma Bathybius haeckelii. Il crut être en présence du protoplasme originel dont toute vie est issue, la substance primordiale théorisée par le philosophe Ernst Haeckel sous le nom d’Urschleim. Le Bathybius serait un chaînon entre la matière inorganique et la matière organique vivante ; il prendrait naissance dans les profondeurs de l’océan où il formerait un tapis continu de protoplasme vivant. Ce fut une occasion pour Huxley d’aborder le thème de la frontière entre vivant et non-vivant et de poser la question de savoir si au-delà du protoplasme, unité élémentaire du vivant, il existe un échelon de petitesse supplémentaire. La théorie selon laquelle le protoplasme est le support physique de tous les êtres vivants avait ses adversaires ; elle allait à l’encontre de la position officielle de l’establishment religieux et universitaire ; c’est réduire l’être humain à une sorte de matérialité, au même rang que les animaux. Les conclusions d’Huxley furent remises en cause par Charles W. Thomson, spécialiste de l’étude de la vie dans les profondeurs marines ; en 1869, après avoir examiné des échantillons de Bathybius il conclut qu’ils sont analogues au mycélium. George C. Wallich, spécialiste de biologie marine, considérait le Bathybius comme un produit de désintégration chimique. Au XX^e siècle, l’étude biochimique et enzymatique des organites subcellulaires isolés sonna le glas de la théorie protoplasmique du vivant.

Théorie cellulaire

Mathias Jakob Schleiden choisit la carrière de juriste mais son métier d’avocat lui valut tant de déboires qu’il tenta de mettre fin à ses jours. Il eut le bon goût de rater son suicide et, reprenant goût à la vie, se passionna pour la botanique. Il entreprit une carrière de professeur itinérant de botanique – Iéna, Tartu, en Estonie, Dresde, Wiesbaden, Francfort-sur-le-Main, Dorpat, en Russie. En 1838 et 1861, il rédigea des ouvrages de botanique qui connurent une certaine notoriété. Alors que la plupart des botanistes basaient la classification des espèces sur la comparaison de leurs caractères organoleptiques, Schleiden opta pour l’examen microscopique des organes et des tissus à l’aide d’un instrument fabriqué par un jeune mécanicien et opticien de talent nommé Carl Zeiss.

Il existe un consensus quasi général pour considérer que Schleiden fut le premier à énoncer la théorie cellulaire après avoir observé que les tissus végétaux sont formés d’agrégats de cellules. Sa publication de 1838, après avoir été traduite en français et en anglais, eut un grand retentissement dans le monde savant, sauf en France. Dans son ouvrage sur la “phytogenèse”, il propose une théorie sur le mode de développement des cellules. Je crois utile de rappeler les doctrines encore en vogue dans les années 1830 pour expliquer l’origine du vivant. A une époque où l’on ne faisait pas de distinction entre matière organique et matière minérale, existait la croyance aristotélicienne que la matière inanimée est dotée de « propriétés particulières » propices à l’apparition de la matière animée : des asticots apparaissent sur de la viande laissée à l’air libre ; des vers apparaissent spontanément sur de la farine. La matière inanimée est dotée de « chaleur vitale » – la « pneuma » d’Aristote. La croyance en cette doctrine de la Génération spontanée sera plus tard soutenue par les expériences du révérend John T. Needham qui vit apparaître des animalcules au sein de bouillons de viande préalablement chauffés et conservés dans des bocaux fermés. Aucune note discordante n’ébranla la foi des partisans de cette doctrine : ni les résultats des expériences réalisées en 1668 par Francesco Redi, médecin à la cour des Médicis, montrant que les asticots apparaissant sur la viande trouvent leur origine dans les œufs déposés par les mouches ; ni la démonstration, en 1765, par l’abbé Lazzaro Spallanzani que les bouillons de viande, insuffisamment chauffés, étaient contaminés par les microorganismes de l’air ambiant. Ce n’est qu’en 1864 que la doctrine de la génération spontanée sera définitivement réfutée par les expériences de Louis Pasteur.

Références : Schleiden MJ Beitrage zur Phytogenesis (1838)
Schleiden MJ Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin 5, Heft 2 (1838)
Schleiden MJ Grundzüge der Wissenschaftlichen Botanik (1861)
Needham JT New microscopical discoveries (1745)
Needham JT Discoveries made with the microscope (1747)
Redi F Esperienze intorno alla generazione degl insetti (1668)
Spallanzani L Saggio di osservazioni microscopiche concernenti il sistema della generazione de signori di Needham e Buffon (1765)

Pour les adeptes du Vitalisme, les phénomènes du vivant ne sont pas réductibles aux lois de la physique, de la chimie ou de la mécanique ; les fonctions organiques sont sous la dépendance d’un « principe vital », organisateur et créateur, qui n’est ni l’âme ni le corps. Dans les années 1830, puis en 1855, l’Académie impériale de médecine servit d’arène à l’affrontement entre partisans et adversaires de cette « métaphysique de la vie », comme la qualifiera plus tard le philosophe Henri Bergson. Malgré sa condamnation par le Pape, en 1860, la doctrine du Vitalisme continua à être enseignée à l’École de médecine de Montpellier, l’une des plus réputées de France. La doctrine de la Préformation, énoncée par Aristote au IV^e siècle av. J.-C., avait toujours ses partisans au XVIII^e siècle, parmi lesquels le mathématicien et philosophe Gottfried Wilhelm Leibniz et le naturaliste Lazzaro Spallanzani. Elle est exposée dans l’Encyclopédie de Diderot et d’Alembert, éditée de 1751 à 1772. L’embryon se développe à partir de structures préexistantes dans les cellules sexuelles. Pour expliquer la métamorphose de la chenille en papillon, Jan Swammerdam, pionnier de l’examen microscopique des êtres vivants, décrivait la présence d’un papillon préformé dans la chenille. Le graveur de planches anatomiques Jacques Fabien Gautier d’Agoty a représenté un « homuncule » dans un spermatozoïde. La théorie de la Préformation était vue avec bienveillance par la hiérarchie religieuse dans la mesure où elle ne contredit pas la vision de l’homme et des animaux tels que Dieu les a créés.

La Naturphilosophie, comme son nom l’indique, est une philosophie, ou plutôt une métaphysique teintée de biologie et de physique. Elle apparut en Allemagne en 1802 avec la publication d’un article de Lorenz Oken, professeur à l’Université de Zurich. Influencé par les idées de Johann Gottlieb Fichte, professeur de philosophie à Iéna, Oken avait l’ambition de bâtir une science universelle rendant compte de l’intégralité des phénomènes matériels et spirituels. Certains ont perçu cette entreprise comme une réaction au « mécanisme » à la mode en ce début de XIX^e siècle où triomphait la physique d’Isaac Newton. Oken ne croyait pas que les « infusoires » ou « animalcules » qui constituent les tissus animaux et végétaux soient issus d’œufs. Il ne croyait pas non plus à la doctrine de la génération spontanée. Les êtres vivants sont des agrégats d’un très grand nombre « d’infusoires » qui conservent leur individualité jusqu’à la mort ; ils se dés-assemblent puis se ré-assemblent en un nouvel être vivant par « interpénétration, entrelacement et unification de tous les animalcules ». Toutes ces affirmations sont des rêveries de philosophe car Oken ne toucha jamais à un microscope et ne fit pas d’expériences, ce qui n’empêcha pas ses ouvrages de connaître un grand succès. Parmi les adeptes de la Naturphilosophie figure, par exemple, une personnalité aussi éminente que Johannes Peter Müller, titulaire de la chaire d’Anatomie et de Physiologie à la Friedrich-Wilhelms Universität de Berlin, et mentor des meilleurs physiologistes de l’époque : Henle, Ludwig, Schwann, du Bois-Reymond, Helmholtz.

Références : Fichte JG Grundlage der gesamten Wissenschaftslehre (1794-95)
Oken L Grundriss der Naturphilosophie, der Theorie der Sinne, mit der darauf gegründeten Classification der Thiere (1802)
Oken L Die Zeugung (1805)

A la différence de son maître Johannes P. Müller, Schleiden ne croyait ni au Vitalisme ni à la doctrine de la Préformation. Il avait élaboré une théorie sur la formation des nouvelles cellules végétales : au sein d’un liquide primordial, le « cytoblastème », une masse organique, gélatineuse, non structurée, composée d’amidon et de mucus, s’opère un processus de cristallisation ; des éléments granulaires donnent naissance à des nucléoles. Autour d’un nucléole, se forme le « cytoblaste » (noyau), qui est progressivement entouré de protoplasme et d’une membrane péricellulaire. La nouvelle cellule se forme spontanément, par assemblage séquentiel d’éléments à partir d’un cytoblastème, provenant d’une cellule préexistante.

Doctrine du cytoblastème. Le nucléole et le noyau s’assemblent de manière séquentielle au sein d’une substance fondamentale. Les cellules apparaissent autour de noyaux libres au sein d’un liquide organique.

Theodor Schwann fut influencé par l’étude publiée en 1835 par Johannes Müller, montrant que les cellules (animales) de la notochorde des Myxinidae – des animaux aquatiques anguilliformes – sont comme les cellules végétales, entourées d’une membrane continue (chez les embryons de Myxinidae, la colonne vertébrale est remplacée par une structure cartilagineuse appelée notochorde). Il connaissait la théorie de Schleiden, dont il était proche (il avait été son assistant), sur le rôle primordial du cytoblaste dans la genèse des cellules végétales. En examinant au microscope ses coupes de tissus animaux, en particulier celles de la chorde dorsale des embryons de Rana esculenta, Schwann réalisa qu’ils sont, comme les tissus végétaux, formés de cellules avec un noyau de structure similaire à celui des cellules végétales. Il adhéra à la doctrine de Schleiden selon laquelle, au sein du cytoblastème, le noyau est à l’origine de la formation de nouvelles cellules, avec, cependant, une nuance : pour Schleiden la structure granulaire originelle est à l’extérieur de la cellule-mère alors que pour Schwann elle est localisée à l’intérieur. Il existe donc une différence dans le mode de génération des cellules végétales et animales. En étudiant la reproduction des plantes phanérogames, Schleiden constate que les cellules du sac embryonnaire (un organe de reproduction aussi appelé gamétophyte) possèdent un large degré d’autonomie fonctionnelle ; il en conclut que le cytoblastème est le site des échanges chimiques au sein des tissus vivants ; il leur donne le nom de métabolisme. En 1838, Schwann présente devant l’Académie des sciences de Paris une première version de sa théorie. Son article de 1839 est considéré comme l’acte de naissance officiel de la Théorie cellulaire : la cellule est l’unité structurale de base des tissus animaux et végétaux ; elle est constituée d’un protoplasme nucléé et d’une membrane. Le protoplasme est le siège des processus métaboliques physico-chimiques ; la cellule peut se transformer, ce qui explique la diversité des êtres vivants.

Références : Müller JP Vergleichende Anatomie der Myxinoiden (1834-1843)
Schwann T Investigations microscopiques sur la similitude de structure et de croissance des animaux et des plantes (1838)
Schwann T Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachsthum der Thiere und Pflanzen (1839)

La division cellulaire aurait été observée au microscope dans les années 1830 par Charles F.A. Morren chez le protiste Crucigenia quadrata, par Christian Gottfried Ehrenberg (l’inventeur du mot « bactérie »), chez les infusoires ; par Barthélémy Charles Dumortier, chez l’algue d’eau douce Conferva glomerata (1832). Ces observations ne faisant pas partie d’un projet sur le mode de génération des cellules, elles ne furent pas prises en compte par la communauté scientifique, si bien que l’on peut considérer que Schwann a édifié sa Théorie cellulaire en partant de zéro. Je rappelle qu’à son époque, le mot « cellule », inventé par Robert Hooke, puis disparu du vocabulaire pour ne réapparaître que dans la seconde moitié du XIX^e siècle, ne désignait que la cellule végétale. En 1845, après s’être appliquée aux plantes et aux animaux, la Théorie cellulaire s’appliqua aux protozoaires.

Références : Morren CFA Mémoire sur un végétal microscopique d’un nouveau genre, proposé sous le nom de Crucigénie, et sur un instrument que l’auteur nomme Microsoter, ou conservateur des petites choses (1830)
Ehrenberg CG Recherches sur l’organisation des animaux infusoires (1839)
Dumortier BC Recherches sur la structure comparée et le développement des animaux et des végétaux (1832)

L’embryologiste Robert Remak (Hôpital de la Charité, Berlin) fit judicieusement remarquer que la doctrine de Schleiden et Schwann sur la génération des cellules n’était qu’une version améliorée de la doctrine de la Génération spontanée. A la suite des minutieuses descriptions de Dumortier, les algues filamenteuses étaient devenues le matériel expérimental de choix pour étudier la division cellulaire. C’est ainsi qu’en 1837, Hugo von Mohl publia un article dans Allgemeine botanische Zeitung sur la division des cellules chez Conferva glomerata, dans lequel il oublia de citer Dumortier. Karl W. von Nägeli, un élève de Lorenz Oken, puis de Matthias Schleiden, prit part au débat sur la génération des nouvelles cellules en proposant qu’elle se fasse selon deux modes : (i) par division d’une cellule préexistante, comme l’affirmait Remak ; (ii) par bourgeonnement spontané dans le milieu (doctrine du cytoblastème) ; von Nägeli aurait observé dans le noyau et le protoplasme la présence de « micelles » qui pourraient être à l’origine de la génération de nouvelles cellules. L’approche expérimentale suivie par Robert Remak est l’examen microscopique des tissus animaux, le plus souvent des embryons de poulet (il avait mis au point une technique de coloration de la membrane péricellulaire). Il ne vit pas de noyaux nus au sein d’un cytoblastème ni au cours de la multiplication des globules rouges (1841) ni au cours de la formation de nouvelles cellules dans les fibres musculaires (1845). En 1852, il conclut de ses résultats qu’il n’y a pas de formation extracellulaire de cellules et que toutes les cellules animales proviennent de cellules préexistantes par fission binaire en deux cellules filles. C’est leur seule forme de multiplication. Remak décrivit les grandes étapes de la division cellulaire dans son ouvrage sur le développement des animaux vertébrés ; il montra que la division du noyau précède la division de la cellule (la caryocinèse précède la cytocinèse). Les deux nouveaux noyaux se séparent ; chacune des deux cellules-filles est dotée d’un noyau. Chez l’embryon, la division des cellules aboutit à la formation des couches germinales qui se différencient en tissus et organes.

Références : Von Mohl H Flora oder allgemeine botanische Zeitung (1837)
Remak R Ueber extracellular Entstehung thierischer Zellen und über Vermehrung derselben durch Theilung (1852)
Remak R Untersuchungen über die Entwickelung der Wilbertiere (1855)

Rudolf L.K. Virchow, médecin à l’Hôpital de la Charité, à Berlin, se rallia d’abord à la doctrine de Schleiden et Schwann sur la génération des nouvelles cellules au sein du cytoblastème. Ayant pris connaissance des résultats de Robert Remak, assistant bénévole du clinicien Johann Schönlein, à la Charité, Virchow changea d’opinion et publia dans la revue qu’il avait fondée en 1855 – Archiv für pathologische Anatomie und Physiologie und für klinische Medizin – un éditorial dans lequel il reprenait les conclusions de Remak… en oubliant de le citer ! Toute cellule provient de la division binaire d’une cellule préexistante ; les fluides intercellulaires à l’origine du cytoblastème, ne sont que des produits de sécrétion des cellules. Virchow publia, en 1858, un ouvrage contenant le fameux aphorisme « Omnis cellula e cellula », dont la paternité revient à François V. Raspail qui le cite en exergue dans un traité publié en 1825. Le trait de génie de Virchow est d’avoir introduit le concept de « pathologie cellulaire » : les maladies ont leur origine dans des affections des cellules. Christian de Duve (prix Nobel de médecine ou physiologie 1974), lorsqu’il fonda un institut de recherches sur le campus de la Faculté de médecine de l’Université Catholique de Louvain, à Bruxelles, s’inscrivit dans la continuité de Virchow en introduisant les termes « cellular pathology » dans le nom de cette institution. La large notoriété de Virchow, éminent universitaire et père fondateur de la Pathologie cellulaire, en fit le propagateur le plus influent de la Théorie cellulaire.

Références : Müller J Vergleichende Anatomie der Myxinoiden, der Cyclostomen mit durchbohrten Gaumen (1835)
Virchow R Cellular-Pathologie (1855)
Virchow R Die Cellularpathologie in ihrer Begründung auf physiologische und pathologische Gewebelehre (1858)
Raspail FV Développement de la fécule (1825)

Note: L’International Institute for Cellular and Molecular Pathology a été fondé en 1974 par quatre professeurs à la Faculté de médecine de l’Université Catholique de Louvain : Christian de Duve, Joseph-Félix Heremans, Michel de Visscher, Carlo Cocito. Il a été rebaptisé De Duve Institute en 2007.

Tissus et organes

Depuis ses origines, la médecine s’est intéressée aux organes et aux maladies qui les affectent. Un organe est une entité anatomique qui exerce chez l’être vivant une fonction déterminée : le foie, le cœur, les poumons sont des organes. Un organe renferme le plus souvent plusieurs tissus.

Nous devons les premières descriptions anatomiques des organes à Claude Galien, qui au II^e siècle exerçait la médecine à Pergame (Asie mineure), puis à Rome où sa renommée en fit le praticien de l’empereur Marc Aurèle et de ses fils. Persuadé qu’une bonne pratique médicale doit être fondée sur la connaissance de l’anatomie, il pratiqua des dissections d’animaux vivants. Il décrivit de nombreux organes : cœur, foie, utérus, système nerveux. Il effectua en public des démonstrations destinées à établir la relation entre l’anatomie d’un organe et sa fonction physiologique. Malgrè de grossières erreurs d’interprétation du rôle des organes (le foie, centre de la circulation sanguine !) et de leur anatomie (communication entre les ventricules du coeur), Claude Galien reste, avec Hippocrate (V^e siècle av. J.-C.), la grande figure de la médecine de l’Antiquité ; son enseignement resta d’actualité jusqu’au XVII^e siècle.

Andries van Wesel (Andreas Vesalius ou Vésale) était issu d’une famille d’érudits et de médecins de la région de Wesel, en Rhénanie. Son arrière-grand-père fut le médecin de l’empereur Frédérique III, son grand-père, celui de Maximilien d’Autriche, empereur des Romains, son père, l’apothicaire de Marguerite d’Autriche, régente des Pays-Bas. Lui-même sera le médecin de l’empereur Charles-Quint et de son fils, le roi d’Espagne Philippe II. Vesalius étudia les langues (grec, arabe, hébreu) à Louvain, puis la médecine à Paris (1533-1536), Montpellier et Padoue (1537-1546). Devenu professeur d’anatomie en 1537, il considérait que la connaissance de l’anatomie humaine était indispensable à une bonne pratique de la médecine alors qu’à l’époque le mode d’enseignement de la médecine était presque exclusivement livresque. Au XVI^e siècle, les médecins ne connaissaient pas l’anatomie des organes humains ; leurs seules connaissances venaient de la transposition hasardeuse à l’homme des descriptions anatomiques de Galien acquises en disséquant des animaux. Vésale imposa aux étudiants en médecine l’observation directe et la dissection du corps humain, qui n’était jusque-là pratiquée que par les barbiers. L’Anatomie moderne prit naissance avec la publication de son Traité d’anatomie des organes du corps humain, magnifiquement illustré par deux cents planches du graveur Jan Steven van Calcar.

Référence : Vésalius A De humani corporis fabrica libri septem (1543)

Cet ouvrage suscita une violente réaction de la part de nombreux universitaires, à commencer par son ancien professeur, qui y voyaient un dénigrement de l’enseignement de Galien ; Vésale montrait combien ses descriptions comportaient d’erreurs grossières. D’autre part, la dissection de cadavres humains suscitait la méfiance des autorités ecclésiastiques et la franche hostilité de l’Inquisition, très active en Espagne. Accusé d’avoir autopsié une femme encore vivante, Vésale fut condamné au bûcher par le tribunal de l’Inquisition espagnole. Seule l’intervention personnelle de Philippe II put le tirer de cette situation dramatique. Sa peine fut commuée en un pèlerinage expiatoire à Jérusalem. Le bateau qui le ramenait en Europe fut pris dans une violente tempête dans la mer Ionnienne. Le mauvais temps affecta la santé de l’équipage et des passagers. Saisi d’une forte fièvre, Vésale fut débarqué sur le rivage de l’île de Zante, où il mourut d’épuisement en 1564, à l’âge de cinquante ans. Le grand anatomiste de la Renaissance, le promoteur de l’anatomie humaine moderne fut enterré près d’une église qui a aujourd’hui disparu. Vesalius eut de nombreux disciples, parmi lesquels Bartolomeo Eustachi ou Gabriele Falloppio, qui réalisèrent d’importants travaux sur l’anatomie de l’oreille, du cœur, des systèmes reproducteur et vasculaire.

Références : Eustachi B Tabulae anatomicae (1552)
Eustachi B Opuscula anatomica (1564)
Fallopio G Observationes anatomicae (1561)

Au début du XIX^e siècle, le médecin François Marie Xavier Bichat révolutionna la médecine en proclamant que ce n’est pas aux organes qu’il faut s’intéresser mais à l’échelon au-dessous dans l’organisation corporelle : aux tissus. Alors que les anatomistes et les physiologistes avaient jusque-là porté leurs efforts sur l’étude des organes, Bichat comprit qu’ils sont formés par l’assemblage de structures plus simples et fonctionnelles : les tissus, des ensembles de cellules spécialisées ayant une structure et des fonctions identiques. Dans son Traité des membranes, dont il entreprit la rédaction dès 1771, il présenta les tissus comme étant les unités anatomiques fondamentales à partir desquelles l’on peut expliquer la physiologie et la pathologie d’un organisme. Sur la base d’observations faites au cours de centaines d’autopsies, il proposa une première classification histologique en 21 tissus fondamentaux – muqueux, séreux, musculaire, conjonctif, nerveux…. Chose étonnante, au cours de ses travaux, Bichat n’eut jamais recours à l’observation microscopique de coupes de tissus ; il jugeait que le microscope est un instrument non fiable – ce qui était encore le cas au début du XIX^e siècle. Il observait la texture des tissus, leurs réactions à des agents chimiques, à la cuisson, à la dessiccation ou à la putréfaction. Bichat montra qu’un organe peut être formé de différents tissus et qu’un même tissu peut se retrouver dans différents organes. Il posa le postulat que les maladies n’affectent pas un organe, mais un tissu composant cet organe.

Bichat est le pionnier de ce qu’il appelait « anatomie générale » et que l’on appelle aujourd’hui « histologie ». Il montra qu’un organe peut être formé de différents tissus et qu’un même tissu peut se retrouver dans différents organes. Nul n’étant parfait, Bichat resta pendant toute sa courte vie (il mourut à l’âge de 30 ans) un vitaliste convaincu. Il considérait que les propriétés vitales des tissus obéissent à des lois propres, distinctes et supérieures aux lois physiques et chimiques de la matière inanimée. Persuadé que la force vitale est localisée dans les tissus entourant les viscères, il se perdit en élucubrations sur le mode de vitalité caractérisant chaque type de tissu.

Références : Bichat X Traité des membranes en général et de diverses membranes en particulier (1799/1800)
Bichat X Recherches physiologiques sur la vie et la mort (1800)
Bichat X Anatomie générale appliquée à la physiologie et à la médecine (1801)
Bichat FX Traité d’anatomie descriptive (1801-1803)

« Cella »

« Micrographia » : naissance de la cellule au XVIIe siècle