dimanche 1 septembre 2019

TITRE III EXPERIENCE LUDIQUE sur la formation de la cellule par coalescence

TITRE III EXPÉRIENCE LUDIQUE sur la formation de la cellule par coalescence

La forme vivante la plus élémentaire, indépendamment de sa reproduction, est dotée d'un film déformable ou non à sa périphérie la séparant du milieu ambiant. Le choix des composants (eau, glucide, lipide) dans cette expérience n'est pas anodin, car ils sont présents dans la structure de la membrane plasmique délimitant toute cellule biologique du milieu extérieur avec la capacité d'insertion de protéines. La membrane comporte d'ailleurs plus de molécules lipidiques que de molécules protéiques, l'enveloppe virale ne comprenant que sa partie lipidique. La protection interne de la membrane est assurée sur sa face extracellulaire pour certaines catégories par des glycoprotéines à base de saccharides.

Compléments: Les plus abondants de lipides membranaires sont les phospholipides structurés en bi-couche composés d'une tête polaire contenant un groupement phosphate et de deux bras hydrocarbonés. Dans un environnement aqueux - le présent contexte- , les têtes polaires s'orientent vers l'extérieur et les bras apolaires vers l'intérieur de la membrane. La double couche lipidique offre ainsi une double mobilité, latérale et de rotation.

En dehors de toute extrapolation relevant de la science-fiction, Il est donc possible d'établir une analogie, partant de ce modèle simple pour celui complexe de la biologie cellulaire à l'aide de la mécanique des fluides.

III-1 Séquencement en deux phases A et B indépendantes.

A) Dans un petit récipient rond à fond plat en verre transparent, verser une petite goutte d'huile d'olive, puis verser délicatement à l'aide d'un autre récipient de l'eau pure décongelée. Les graisses, hydrocarbures sont hydrophobes.

Application de la poussée d'Archimède: tout corps immergé dans un liquide subit de la part de celui-ci une force verticale orientée vers le haut égale au poids du liquide déplacé par l'effet de la gravitation.

La densité relative de l'huile d'olive par rapport à l'eau est 0.916: l'huile va remonter à la surface en une très fine couche où l'air sera absent à l'état de gaz.

Agiter uniquement la couche superficielle de façon aléatoire pendant une dizaine de secondes en ramenant à la fin l'huile au centre. De micro-vésicules de taille assez homogène apparaissent en surnombre. Certaines sont déjà capturées de façon stable par les plus grosses au vu de la formation centrée de bulles d'air. Laisser remonter la température à l'air ambiant (15-20°); le volume de chaque vésicule prend une forme plus sphérique.

Quand la température augmente, d'une part l'air à l'état gazeux emprisonné se dilate, d'autre part l'écart de tension superficielle TS unité 10-3 N/m entre l'huile et l'eau à la surface augmente sensiblement. Eau 0° TS=75,64 Eau 20° TS=72,8 Huile d'olive 20° TS=32

En conformité avec la mécanique des fluides, le système doit revenir à sa position d'équilibre quand la surface de contact de l'huile avec celle de l'eau est minimale. Pour le vérifier, piquer verticalement une grosse vésicule avec une pointe pour l'étirer en longueur. En retirant la pointe, la vésicule reprend sa forme comme dans le cas d'un ressort: la loi de HOOKE s'applique donc.

Le phénomène de coalescence consistant en la fusion au repos par simple contact de deux vésicules est absent en phase A (*).

 Pour obtenir cette fusion, l'apport d'énergie cinétique est indispensable en les lançant l'une contre l'autre à l'aide d'une pointe suffisamment pour contrebalancer leur force de répulsion.

Autre méthode ( la loi de HOOKE): guidage par étirement de l'une suivi d'une pénétration dans l'autre de façon à vaincre la force de rappel de la première.

 (*) Approfondissement: la fragmentation fine de la goutte d'huile par agitation prolongée de la couche superficielle est due aux forces transitoires de dispersion de LONDON exercées quand les vésicules d'huile déjà formées tentent de rentrer en contact. C'est l'interaction hydrophobe.

Après cette étape, les molécules d'huile en contact avec l'eau ont acquis superficiellement une charge négative répulsive: l'interaction électrostatique proportionnelle aux surfaces en contact répondant à la loi de COULOMB domine celle de coalescence. 

B) Dans un autre récipient, dissoudre cette fois du sucre de table en poudre dans l'eau à température ambiante (hydrolyse du saccharose). Le sucre ne se dissout pas dans l'huile. Verser délicatement deux petites gouttes d'huile d'olive sans agiter le tout. Le phénomène de coalescence est observé avec une légère contraction sphérique de la goutte en résultant (son rayon est inférieur à la somme des rayons de ses composantes). A l’œil nu, on peut observer la couche extérieure de sucre bordant celle d'huile pour chaque vésicule. Une élévation de température de l'eau freine l'élasticité de cette dernière.

Conseil: renouveler le séquencement du titre III-1 en notant à chaque fois vos observations.

III-2 Aperçu chimique des composants huile d'olive/sucre alimentaire/eau

- L'huile d'olive vierge - un lipide - est un triacylglycérol de la famille des glycérides formé principalement de trois molécules d'acide oléique. Elle ne peut pas former de liaisons hydrogène avec les molécules d'eau H2O polaires, donc est hydrophobe. Son point de fusion est à -3 degrés, d'ébullition à 300 degrés.

- le glucose, entrant dans la composition du sucre, de formule brute C6H12O6 appartient la famille des glucides. Sa molécule en solution dans l'eau est polarisée en anion hydroxyde. Par photosynthèse, les plantes produisent du glucose.

Sa décomposition thermique à 186 ° aboutit à une libération de CO2 -un GES -suivant la réaction C + O2.

III-3 Formation d'une cellule abiotique

La formation d'une cellule abiotique souche est étroitement liée à la composition chimique de sa membrane ne pouvant former un soluté avec les molécules présentes à l'extérieur sous différentes phases. Sa division à partir de l'équilibre dépend de la variation négative du gradient électrostatique de sa membrane ne contrebalançant plus la pression interne des molécules en phase liquide. Elle  peut être obtenue par apport extérieur d'énergie suivant le couple (pression, température) lié à l'agitation moléculaire.

Plus le niveau d'énergie est élevé, plus, au retour à l'équilibre, la taille des cellules fragmentées est petite, uniforme et leur nombre, majoritaire. Leur stabilité résulte d'un gradient électrochimique plus élevé que celui initial de la cellule souche du à la contraction en volume de la membrane. L'énergie extérieure permet l'agrégation de cellules par endocytose.

A titre d'exemple, la structure monocouche de la membrane lipidique de la cellule souche en milieu aqueux est en effet formée de molécules amphiphiles de même structure chimique avec une tête polaire hydrophile et une queue apolaire lipophile.

L'absorption du solvant après division la transforme en bicouche, les micelles se faisant face. La membrane intérieure et extérieure sont toutes deux hydrophiles avec une membrane hydrophobe dans sa partie centrale faisant obstacle partiel au transit de solutions aqueuses ionisées. 

III-4 Transposition en biologie cellulaire

 Phase A: lipide + eau + énergie => création accélérée de macrocellules "mères" indépendantes, déformables ayant absorbé des cellules "enfants" en formation étoilée et non encore fonctionnelles en tant qu'organites. Les cellules emprisonnées vont progressivement disparaître en apportant une charge négative électrostatique à la paroi interne de la cellule mère. La transition vers la membrane cytoplasmique relève de la biologie moléculaire.

Phase B: saccharose en couche externe du film lipidique <=> glycoprotéines virales => facilité de mutation des virus par coalescence car le glucose ne peut pas traverser la membrane plasmique par simple diffusion.

C'est le phénomène d'endocytose: le lecteur peut à son gré par invagination de la membrane bicouche lipidique du liposome de volume supérieur provoquer sa fusion avec d'autres liposomes selon l'orientation du vecteur force mécanique modifiant leurs gradients électrostatiques.

Contrairement au pinocytose, fréquente chez les microorganismes aquatiques, il n'y a pas de formation de petites vésicules hydrophobes et la composition moléculaire de l'intérieur de la membrane cellulaire réceptrice reste inchangée. Toutefois, l'hydrolyse du saccharose avec élévation de la température renforce le taux de concentration en glucose de la solution et provoque une réaction chimique d'estérification du lipide membranaire sur sa face interne avec renforcement du gradient électrochimique. Un supplément d'énergie sera nécessaire pour provoquer l'endocytose.

Par transposition à une cellule biotique, la réussite de la première étape de la glycolyse en système fermé nécessitera une variation d'enthalpie libre élevée de façon à  être  irréversible.

III-5 Origine et diversification du règne animal
 
La paléontologie moléculaire a répertorié une grande variété de lipides amphiphiles, dont les plus couramment utilisés sont les phospholipides dans la formation des membranes plasmiques des cellules animales. La convergence génétique par division cellulaire a donné lieu à une classification par espèces en se basant sur le phénotype, mais contrairement à la croyance populaire bien établie, chaque espèce ne provient pas d'un ancêtre commun.

Le phosphate de calcium est présent en majorité dans les gisements  appartenant à différentes époques géologiques sous la  forme de microcristaux de taille inférieure au micron ainsi que dans les roches magmatiques. Or la paroi intérieure hydrophile des cellules bicouches provient de l’ester phosphorique.

La biosphère terrestre s'est enrichie trés progressivement du rapprochement dans les sédiments des facteurs biotiques et des facteurs abiotiques en provenance de la croûte océanique. Cette assertion s'appuie sur les principes de base de la thermodynamique.

Le volcanisme et la présence d'oxygène dans ses silicates (SiO₂) de la croûte de la Lune ne peuvent à eux seuls donner naissance à une biosphère.

Approfondissements: Le terme de point triple désigne, en thermodynamique, un point du diagramme de phase pour lequel les trois états de la matière -liquide,solide, gazeux- coexistent en équilibre. Il existe un seul et unique point triple par corps pur.

Au delà du point triple, fonction de la température et de la pression, le point supercritique d'un corps pur permet le transport de sa phase liquide par sa phase gazeuse et entraîne la miscibilité des fluides supercritiques de seuil inférieur sans tenir compte de leur polarité.

Les chiffres ci-dessous montrent que les solvants apolaires de la classe des hydrocarbures de formule brute CnHm ont en général un point supercritique inférieur au CO2 et à H2O. 

Molécule polaire H2O: 374°C/221 bar 
Molécule CO2 apolaire: 31°C/74 bar
Ethane associé aux émissions de gaz de schiste: 32°C/48 bar
Propane : 96°C/42 bar.

Cette caractéristique est très importante dans le domaine de la paléontologie moléculaire pour la coexistence de molécules d'eau et de solvants apolaires dans les sédiments des fosses marines où une grande variété de lipides pourront ainsi former une membrane cellulaire contenant des molécules fossiles. Les courants marins ascendants favoriseront leur dispersion.

La diversité chimique sur la planète Terre des couches sédimentaires situées dans les fosses marines provient:

- d'une part de l'alternance de périodes glacières favorisant l'érosion par fissuration des roches cristallisées hydratées et leur diffusion par lessivage superficiel entrainant la matière organique fermentée à base de glucides, des acides aminés, des purines et des pyrimidines, d'où l'élargissement de la biodiversité sous-marine. 

- d'autre part de la croûte océanique plus dense (coeff 3) que la croûte continentale (coeff 2.7).

Cela suggère la remontée plus rapide depuis la lithosphère océanique vers les fosses marines des fluides supercritiques à l'état de magma sous l'effet d'une activité sismique aléatoire. Près de la moitié des eaux océaniques dépassant 3 000 m de profondeur avec une pression à 300 bars et une température voisine de 4°C, ces derniers se refroidiront suffisamment au moment où ils atteindront le fond marin dans leur phase sous-critique pour diluer la matière organique contenue dans les sédiments. Les bulles de gaz de densité supérieure à l'air  entraînant sous une phase liquide ces molécules non solubles dans l'eau vont remonter à la surface de la mer pour former dans un premier temps des cellules abiotiques ne pouvant se diviser que par énergie mécanique extérieure.


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