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biologie

Chevalier de Lamarck
Chevalier de Lamarck

Ensemble de toutes les sciences qui étudient les espèces vivantes et les lois de la vie. (Synonyme : sciences biologiques.)

Dans son acception la plus large, la biologie correspond aux « sciences de la vie » et couvre tous les aspects de l'étude du monde vivant. Elle regroupe les disciplines consacrées aux animaux, aux végétaux et aux micro-organismes, à leur environnement et à leur évolution. Cependant, on tend à utiliser le terme « biologie » dans un sens plus restrictif, limité aux sciences qui ont pour objets d'étude les cellules et les molécules constitutives des êtres vivants, et dont les applications médicales et industrielles sont multiples.

Les sciences biologiques

L'organisation des sciences biologiques est liée à celle du monde vivant et, pour bien comprendre le découpage de la biologie en différentes disciplines ainsi que les relations entre ces disciplines, il est nécessaire de s'intéresser à la façon dont la vie s'organise et se manifeste, de sa forme la plus élémentaire (la cellule, l'organisme) à la plus complexe (le milieu écologique).

Les niveaux d'organisation du monde vivant

Organismes, populations, milieux

Animaux, végétaux, champignons et micro-organismes (ou « microbes ») représentent l'ensemble des êtres vivants, ou organismes. Chaque organisme se compose d'au moins une cellule, unité élémentaire de la vie, et beaucoup (les « pluricellulaires ») en possèdent des milliards. Ces cellules sont elles-mêmes constituées de molécules, dont les éléments de base sont les atomes.

Les organismes dépendent étroitement de leur environnement, où ils puisent la matière et l'énergie nécessaires à leur survie (eau, lumière, nourriture). L'ensemble des organismes d'un lieu donné, ou biotope, représente une communauté vivante, ou biocénose. L'entité formée par un milieu géographique et une communauté vivante est un écosystème, élément de base de l'environnement naturel. L'ensemble des écosystèmes de la planète forme la biosphère, c'est-à-dire la faible portion de la Terre et de l'atmosphère favorable à la vie.

De la molécule à la biosphère

Molécules, cellules, organismes, biocénoses, écosystèmes : de l'échelle moléculaire à celle de la biosphère, les systèmes biologiques s'organisent en niveaux successifs et emboîtés, qui représentent autant d'objets d'étude des disciplines de la biologie.

Les niveaux moléculaires et cellulaires

Les cellules animales, végétales, ainsi que celles de nombreux organismes unicellulaires (protistes) ont une structure complexe : elles renferment des éléments internes, les organites, impliqués dans les différentes fonctions cellulaires. La cellule des bactéries, relativement plus simple, ne comprend pas d'organites. Les organites sont eux-mêmes des associations de molécules : des macromolécules (grosses protéines, A.D.N., glucides et lipides complexes) et des molécules simples. Entre ces dernières et les macromolécules, on peut distinguer plusieurs niveaux d'organisation.

La biologie cellulaire, ou cytologie, étudie la cellule, sa composition (cloisons, cytoplasme, organites), ses propriétés et ses fonctions (nutrition, croissance, reproduction, échanges avec le milieu environnant, etc.). La biochimie étudie les molécules biologiques et leurs réactions chimiques (mises en jeu lors de la respiration, de la nutrition, de la croissance, etc.). Issue de la biochimie et de la physique, la biologie moléculaire est centrée sur l'étude des macromolécules, à partir des données de la biologie cellulaire et de la génétique. Cette discipline trouve de nombreuses applications en médecine et dans les biotechnologies.

Les niveaux anatomiques

Dans un organisme pluricellulaire (animal, plante), les cellules se regroupent pour former des tissus. Un organe est un assemblage de cellules spécialisées, ou de tissus, réalisant une tâche particulière (les reins des animaux effectuent l'épuration de leur milieu intérieur). Plusieurs organes peuvent être associés dans l'exécution d'une fonction, formant ainsi un appareil (les reins, les uretères, la vessie et l'urètre forment l'appareil urinaire).

L'anatomie est la science spécialisée dans l'étude des organes, de leur structure et de leur agencement dans l'organisme. Les tissus qui constituent les organes sont l'objet d'une discipline de l'anatomie : l'histologie. Quant à la physiologie, elle étudie le fonctionnement des organes, à l'échelle des cellules qui les composent, des tissus, des appareils ou de l'organisme entier.

Les niveaux écologiques

Les organismes ne sont jamais isolés. Au sein d'une même espèce, ils entretiennent entre eux des relations (sexualité, concurrence, etc.) qui structurent les populations présentes dans chaque milieu naturel. En outre, dans un même milieu, plusieurs populations d'espèces différentes cohabitent et interagissent (compétition, prédation, association, etc.). Ces groupements d'êtres vivants sont dépendants de leur environnement physique, avec lequel ils constituent les écosystèmes.

L'écologie étudie les relations entre les êtres vivants et entre ceux-ci et leur environnement à différents niveaux, de la population à l'écosystème. Ses techniques d'analyse, empruntées à différentes disciplines (biologie, physique, chimie, sciences de la Terre, etc.), permettent d'appréhender les écosystèmes dans leur ensemble (la biosphère) et de rendre compte des problèmes d'environnement à l'échelle régionale (pollution, par exemple) ou planétaire (effet de serre).

Autres disciplines de la biologie

On peut également diviser les sciences biologiques, selon les organismes étudiés, en biologie animale, ou zoologie, biologie végétale, ou botanique, et biologie des micro-organismes, ou microbiologie.

D'autres disciplines de la biologie sont consacrées au recensement des espèces vivantes (étude de la biodiversité) et à leur classification (systématique, taxinomie). La structure et l'organisation des formations végétales (forêts, prairies, savanes, etc.) relèvent de la phytosociologie. Le comportement animal est l'objet de l'éthologie et de la psychologie animale (béhaviorisme).

Enfin, des disciplines étudient la reproduction et la croissance des êtres vivants (biologie de la reproduction, embryologie, génétique du développement), la transmission des caractères héréditaires et l'expression des gènes (génétique mendélienne, génétique moléculaire), ainsi que les êtres fossiles et l'évolution (paléontologie).

Évolution des sciences biologiques

À ses débuts, la biologie, en tant que domaine des sciences de la vie, est inséparable de la médecine et de l'agriculture. L'homme, s'intéressant surtout à ce qui, dans la nature, lui permet de survivre, apprend à reconnaître les plantes dont il se nourrit et avec lesquelles il se soigne.

L'histoire naturelle

Si le terme de « biologie » n'est introduit en France qu'au début du xixe s. par Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829), les problèmes inhérents à cette science sont posés dès l'Antiquité, et les premières interprétations du phénomène de la vie peuvent être attribuées au philosophe grec Thalès de Milet (vers 625-vers 547 avant J.-C.). À sa suite, Aristote (384-322 avant J.-C.) opère la première classification des animaux, fondée sur la comparaison de leurs caractères anatomiques ; ses travaux influenceront durablement la pensée scientifique de l'islam et du monde chrétien.

Au ier s. après J.-C., les connaissances progressent en zoologie et en botanique, avec Pline l'Ancien (23-79) et Dioscoride (vers 40-90), mais elles demeurent empiriques. En outre, l'histoire naturelle, d'où émergeront les disciplines de la biologie, englobe dans son approche aussi bien les minéraux que les plantes et les animaux, et mêle philosophie, religion et observation méthodique du monde.

Observation et description

La vision des savants occidentaux est fortement marquée par les doctrines judéo-chrétiennes, qui placent l'homme au sommet de l'échelle des êtres. Les explications des phénomènes naturels, qu'ils soient biologiques ou non, reposent sur la perception par l'homme de son propre corps. Ainsi, le médecin et alchimiste suisse Paracelse (vers 1493-1541) fait-il correspondre le monde extérieur (macrocosme) avec les différentes parties du corps humain (microcosme), ce qui l'amène par exemple à décrire la rouille comme un « excrément du métal ».

Cependant, l'évolution des idées philosophiques, les découvertes techniques, ainsi que l'assouplissement des contraintes religieuses vont permettre aux sciences naturelles d'évoluer. Dès lors, le besoin de la découverte va guider les progrès du savoir. Au xviiie s., avec le Français Réaumur (1683-1757), qui porte un regard d'une grande acuité sur les insectes et d'autres animaux, et son compatriote Buffon (1707-1788), auteur d'une vaste synthèse des connaissances sur la nature et les êtres vivants (l'Histoire naturelle, 36 volumes publiés entre 1749 et 1804), la biologie demeure essentiellement descriptive. Toutefois, Buffon est également un précurseur de la théorie de l'évolution et des recherches en paléontologie.

La biologie expérimentale

Le xviiie s. voit naître la biologie expérimentale : l'Italien Lazzaro Spallanzani (1729-1799) réalise les premières fécondations artificielles sur des amphibiens et démontre que les micro-organismes (« infusoires ») proviennent de germes préexistants dans l'air et ne se forment pas spontanément, apportant les premiers arguments décisifs contre la doctrine de la génération spontanée et préparant les travaux de Louis Pasteur (1822-1895).

Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794), avec ses découvertes sur le rôle de l'oxygène dans la respiration, pose les bases de la physiologie, discipline qui connaîtra un développement spectaculaire au xixe s., avec notamment le Français Claude Bernard (1813-1878), qui découvre plusieurs fonctions vitales et définit les principes fondamentaux de la recherche scientifique (Introduction à l'étude de la médecine expérimentale, 1865) et le Russe Ivan Petrovitch Pavlov (1849-1936), qui étudie le fonctionnement normal du système nerveux et met en évidence les réflexes conditionnés.

La botanique

La biologie végétale, ou botanique, est restée longtemps une science de description, de classification et d'utilisation des plantes pour l'agriculture et la médecine. Au xviie s., le progrès des techniques d'observation () avec, en particulier, l'invention du microscope, permit la découverte des cellules et favorisa le développement de l'anatomie végétale (étude des organes et des tissus végétaux). La botanique a ensuite bénéficié des grands voyages scientifiques des xviiie et xixe s. (découverte et description de nouvelles espèces) et des travaux de classification du Suédois Carl von Linné (1707-1778) : celui-ci mit au point un système encore universellement utilisé, où chaque espèce est nommée par un double terme latin (nomenclature binominale, désignant le genre et l'espèce).

Jusqu'au xixe s., les jardins botaniques contenaient essentiellement des plantes médicinales, mais les principales fonctions des végétaux (nutrition, respiration, photosynthèse) avaient été mises en évidence. Depuis, la botanique s'est enrichie de nouveaux domaines d'étude, tels que ceux de l'évolution des plantes et des milieux naturels (paléobotanique, phytosociologie) ou ceux de la reproduction et de la croissance des plantes (embryologie végétale), et contribue au développement de la biologie cellulaire et moléculaire.

Le progrès des techniques d'observation



Il est difficile de déterminer si la pensée scientifique induit le progrès des techniques ou si, au contraire, elle en est tributaire (les deux propositions sont probablement également vraies). Quoi qu'il en soit, à l'instar des télescopes à l'égard de l'astronomie, les microscopes jouent un rôle essentiel dans l'histoire de la biologie.

Au XVIIe siecle, plusieurs savants testent en même temps l'arrangement de lentilles grossissantes et mettent au point le microscope optique. Celui-ci permet au médecin et anatomiste italien Marcello Malpighi (1628-1694) d'observer les vaisseaux sanguins microscopiques (capillaires) et les glomérules du rein, ainsi qu'à l'Anglais Robert Hooke (1635-1703) de réaliser les premiers dessins de cellules vivantes.

Les progrès dans la réalisation des instruments d'optique sont rapides. En 1677, le Néerlandais Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723) parvient à décrire les globules rouges du sang et de nombreux êtres vivants unicellulaires (protistes). L'augmentation du pouvoir de résolution des microscopes, grâce aux objectifs à immersion, donne à l'Allemand Robert Koch (1843-1910) la possibilité de décrire la bactérie responsable de la tuberculose en 1882 et celle du choléra en 1884.

Les microscopes optiques atteignent très vite une limite (les plus performants grossissent 2 500 fois), indépendante des progrès techniques mais liée à la nature ondulatoire de la lumière. Pour l'observation à très petite échelle, la lumière est remplacée par les rayons X (grâce auxquels on obtient, dans les années 1930, les premières images des virus), puis par les électrons (microscope électronique, mis au point en 1933). Enfin, la nature quantique des objets permet des observations au niveau de l'atome (microscope à effet tunnel, 1981).

L'essor de la biologie contemporaine

Actuellement au centre de plusieurs programmes interdisciplinaires de recherches, la biologie se caractérise également par un nombre croissant d'applications médicales et industrielles.

L'approche écologique

À l'instar de l'écologie, plusieurs disciplines fondamentales de la biologie contemporaine naissent au xixe s., pour se rassembler en un vaste corpus scientifique à partir du milieu du xxe s. Les sciences de l'évolution des espèces offrent un bon exemple de cette double tendance, à la diversification et au regroupement des disciplines.

Écologie et évolution

Si Georges Cuvier (1769-1832) établit les fondements de l'anatomie comparée et de la paléontologie des vertébrés, Lamarck est le premier à exprimer clairement la notion d'évolution des espèces (ou transformisme), notion que le Britannique Charles Darwin (1809-1882) érigera en théorie universelle. Il est à noter que les observations de Darwin sont bien plus d'ordre écologique (observation de la diversité des adaptations des espèces en milieu naturel) que paléontologique (analyse des fossiles). Toutefois, le xxe s. voit le développement et la diversification de la paléontologie, discipline majeure des sciences de l'évolution.

Par ailleurs, si les notions d'interrelations entre les espèces vivantes et leur environnement sont bien définies dès le milieu du xixe s., ce n'est qu'au début du xxe s. que l'écologie acquiert le statut de discipline à part entière. Parallèlement, la génétique met en évidence les bases biologiques de l'évolution. À partir des années 1940, les différentes approches, paléontologique, écologique et génétique, sont réunies au sein de la théorie synthétique de l'évolution (ou néodarwinisme).

Environnement et biodiversité

L'écologie ne se limite pas à l'étude des contraintes de l'environnement en tant que paramètres de l'évolution (ces contraintes représentent ce que Darwin nomme sélection naturelle). Comme science fondamentale, mais également par ses applications face à la croissance des problèmes d'environnement, l'écologie prend aujourd'hui une importance majeure.

Une notion importante en écologie, qui justifie actuellement de nombreux programmes de recherches, est celle de biodiversité. Celle-ci se manifeste dans le nombre et dans la variété des espèces (animaux, végétaux, micro-organismes), des individus et des populations au sein de chaque espèce, mais aussi dans la richesse des milieux naturels, ou écosystèmes. Actuellement, plusieurs programmes de recherches visent à recenser le maximum d'espèces animales et végétales encore inconnues, notamment au sein des forêts tropicales, qui représentent les écosystèmes les plus diversifiés de la planète, mais dont la superficie ne cesse de diminuer.

Biologie moléculaire et biotechnologies

La possibilité d'intervenir de façon contrôlée sur le patrimoine génétique des êtres vivants soulève de multiples interrogations sur les risques potentiels liés à la dispersion dans l'environnement d'organismes génétiquement modifiés (O.G.M.), ainsi que sur certaines applications potentielles à l'homme (clonage humain, « amélioration génétique » ou eugénisme). Toutefois, il est d'ores et déjà admis que la biologie moléculaire et ses applications ouvrent des perspectives immenses en médecine, en pharmacologie et en agriculture (→ biotechnologie).

En 1865, l'Autrichien Gregor Mendel (1822-1884) établit des lois de l'hérédité, qui fondent la génétique. Dans les années 1920, le biologiste américain Thomas Hunt Morgan (1866-1945) localise les gènes, supports matériels de l'hérédité, sur les chromosomes. En 1953, la biologie moléculaire prend son essor avec la découverte de la structure de l'A.D.N. par James Watson (né en 1928) et Francis Crick (1916-2004). En 1961, Jacques Monod (1910-1976) et François Jacob (né en 1920) inaugurent l'étude de la régulation des gènes. Les années 1980 sont celles des premières greffes de gènes (génie génétique, biotechnologies) et les années 1990 voient le développement d'un vaste programme de décryptage du génome humain.

Des sciences interdépendantes

Avec ses multiples applications médicales, agricoles et agroalimentaires, la biologie contemporaine peut apparaître comme une science à deux niveaux : le premier regroupe les disciplines classiques apparentées aux « sciences naturelles », comme la botanique et la zoologie, et qui peuvent sembler avoir atteint les limites de leurs applications pratiques et scientifiques ; le second est celui des biotechnologies et de la recherche médicale, dont les perspectives immenses suscitent un vif intérêt.

Pourtant, il ne fait plus de doute que les progrès de ces disciplines de pointe se trouvent en grande partie liés à ceux des disciplines classiques. Ainsi, la recherche pharmaceutique est-elle fortement tributaire du recensement des espèces végétales opéré par les botanistes. En effet, de nombreuses plantes tropicales encore inconnues sont susceptibles de posséder des propriétés médicinales d'un intérêt majeur.

Bien loin de s'opposer, toutes les approches de l'étude du monde vivant se révèlent complémentaires et mutuellement indispensables. En outre, les progrès des techniques d'analyse profitent à toutes les disciplines : les méthodes de biologie moléculaire sont désormais utilisées à tous les niveaux de l'étude du vivant (physiologie, systématique, écologie, paléontologie, anthropologie, etc.).