Science en Fête, option Biologie

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1 Science en Fête, option Biologie
Objectif: Revoir et approfondir des notions simples théoriques et pratiques de microscopie et de microbiologie dans le but d’accompagner des élèves de classes primaires lors de la séance d’animation scientifique “observons les microbes” le vendredi 12 octobre 2007

2 Séances d’animation de 2h « Observons les microbes »
(9-12 ans) Objectifs (p 4 à 6) : par l’expérimentation, comprendre les notions suivantes : Des outils qui permettent de voir ce qui est invisible à l’oeil nu: microscope, loupe Les microbes sont des cellules vivantes : ils se multiplient dans des conditions favorables Il existe de très nombreuses espèces de microbes (exposition) Les microbes sont présents partout, autour de nous et sur nous On peut se prévenir de l’infection par les microbes et on peut arrêter leur multiplication

3 Licence Scientifique Générale Science en Fête - option biologie
Séance B1 Observer le « microscopique » Théorie : Historique Ordres de grandeur Notions d’optique géométrique Description des loupes et microscopes Observations : 5 organismes différents (eucaryotes et procaryotes)

4 Historique de la microscopie
- Micro = petit, -scope = observer - 1ères observations : : Anthony Van Leeuwenhoek . 1 lentille x 300 Robert Hooke terme « cellule »

5 Historique de la microscopie
Terme « cellule » Mince tranche de liège Robert Hooke 1665

6 Historique de la microscopie
- Micro = petit, -scope = observer - 1ères observations : Anthony Van Leeuwenhoek. 1 lentille x300 Robert Hooke. terme « cellule » : Théodor Schwann, La théorie cellulaire : un être vivant = plusieurs unités de construction identiques = unités microscopiques appelées cellules = unité de base du vivant Homme : environs milliards de cellules = pluricellulaire microbe: 1 cellule = unicellulaire 1960 Développements technologiques récents: Microscope électronique : x Microscope optique: x 1 500, utilisation des lasers, de la fluorescence microscope confocal,

7 Microscopie: L’infiniment petit devient visible
X 50 X 1250 Zoom sur une tête d’épingle X 6000 X

8 Ordres de grandeur Résolution: distance minimum entre 2 objets distincts Résolution de l’œil = 0,2 mm Limite inférieure de résolution des microscopes photoniques (lumière) = 0,2mm

9 Ordres de grandeur 10+1 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9
10-10 10+1 oeil nu microscopie photonique microscopie electronique rayons X 10+1 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10

10 Ordres de grandeur Virus (50 à 100 nm) Protéine ~ 4 nm Bactérie (2 µm)
Si une cellule eucaryote avait la taille d’un immeuble de 6 logements Virus (50 à 100 nm) Protéine ~ 4 nm Bactérie (2 µm)

11 Notions d’optique (annexe 2)
Rappels d’optique géométrique à l’usage des loupes et microscopes: Construction d’une image formée par une lentille convergente de distance focale: OF = OF’= Fv 1- Les rayons passant par le centre de la lentille ne sont pas déviés 2- Les rayons passant par le point focal objet (F) sortent de la lentille perpendiculairement à l’axe de la lentille 3- Les rayons arrivant perpendiculairement à l’axe de la lentille convergent au point focal image (F’) L’intersection de ces 3 rayons défini le point image produit par la lentille B F’ O A ’ 3 rayons utiles A F Fv B’ Fv

12 Notions d’optique Rappels d’optique géométrique à l’usage des loupes et microscopes (annexe 2) 2Fv F’ F A A ’ O 3 rayons utiles Position de l'objet Caractéristiques de l'image Nature Sens Grandeur Position à l'infini - Réelle infiniment petite Ponctuelle au foyer F’ entre infini et 2 Fv Inversée G<1 entre F’ et 2 F’ à 2 Fv G=1 à 2 Fr entre 2Fv et Fv G>1 entre infini et 2 F’ à Fv absente indéterminée infiniment grande à l'infini entre Fv et O Virtuelle Droite entre O et (-) infini O Sommet

13 Notions d’optique Le Microscope (annexe 3)
Microscope = 2 lentilles minces de distances focales Fv1 et Fv2. L’objectif (Ob) = distance focale très courte, qq mm, l’oculaire (Oc) = également à courte distance focale, qq cm. B’ F’2 soit l’objet AB : la lentille ob. projette 1 image intermédiaire réelle AiBi formée en avant du plan focal de la lentille oc. La lentille oc. projette 1 image finale virtuelle A’B’ -Le cristallin de l’œil projette 1 image réelle qu’il focalise (accomodation) sur la rétine Oc Bi F2 F’1 Ob F1 Intervalle optique D=F’1F2 est fixe, varie selon modèles de 15 à 20 cm. Mise au point = distance Objet-Ob est modifiée A B

14 - Quel est l’appareil mieux adapté pour l’observation microscopique ?
Observations - cellules épithéliales d’oignon (200 mm) - Cellule épithéliale buccale (50 mm) - Levure de boulangerie (10 mm) - Bactérie (3 mm) Démarche à suivre : - Observer à l’oeil nu - Quel est l’appareil mieux adapté pour l’observation microscopique ? Loupes: qques mm à 0.1 mm Microscopes: 0.1mm à 0.2 µm - Que voit –on avec loupe ou microscope que l’on ne voyait pas à l’œil ?

15 Observation de cellules au microscope
-Description du microscope, mise au point -Estimation de la taille réelle d’un objet : Champ du microscope = cercle blanc quand on regarde dans oculaire - Mettez grossissement 100 X - Placez lame avec papier millimétré sur platine - En observant quadrillage, évaluez dimension du diamètre du champ à 100 X ex. si on voit 1,5 carré, le champ fait 1,5 mm de diamètre soit 1500mm ( 1 mm = 1000 mm). - Observez l’objet, estimez sa taille par comparaison avec taille du champ ex. si l’objet fait 1/4 du champ, cad 1/4 de 1500mm, soit 350mm - Observations

16 Des images de cellules observées au microscope
- Cellule eucaryotes (10 à 100 mm) : très diversifiées - 200 types différents de cellules dans corps humain - Chaque type a 1 fonction précise neurone globule rouge

17 Des images de cellules observées au microscope
- Cellule eucaryotes (10 à 100 mm) : très diversifiées - Nombreux organes internes faits de membranes - Matériel génétique délimité par une membrane = noyau Cellule épithéliale buccale (50mm), vue au microscope optique cytosol noyau mitochondrie RE golgi mb cytoplasmique

18 Des images de cellules observées au microscope
- Levure de boulangerie, Saccharomyces cerevisiae (10 mm) Organisme unicellulaire Appelée levure bourgeonnante car se multiplie par bourgeonnement A B Cellule au microscope électronique à balayage bourgeon Cellules au microscope optique ( 400 x)

19 Licence Scientifique Générale Science en Fête - option biologie
Séances d’animation : Observons les microbes (9-12 ans) Objectifs : par l’expérimentation, comprendre les notions suivantes : Des outils qui permettent de voir ce qui est invisible à l’œil nu: microscope, loupe Les microbes sont des cellules vivantes : ils se multiplient dans des conditions favorables Il existe de très nombreuses espèces de microbes Les microbes sont présents partout, autour de nous et sur nous On peut se prévenir de l’infection par les microbes et on peut arrêter leur multiplication

20 Introduction B2 Microbe (gr. Mikros, petit, et bios, vie): Être vivant, constitué par une seule cellule microscopique, non visible à l’oeil: < 0,2 mm Définition du vivant.... Capable de se reproduire à l’identique de façon autonome UN PEU D’HISTOIRE Développement de la microbiologie expérimentale: Isoler, caractériser, cultiver des microbes: Utilisation de matériel stérile et pratique des techniques d’asepsie. Un seule cellule contaminante fait échouer une expérience… Spallanzani ( ) Le premier à cultiver des microbes en utilisant du jus de viande placé dans une bouteille: Les microbes ne poussent pas si le jus de viande a été bouilli et reste à l'abri de l'air. Si le liquide vient en contact avec l'air, les microbes se développent. Réfutation de la la théorie de la génération spontanée. Pasteur ( 1860): clôt cette controverse . Les microbes (germes) partout dans l’air. Organismes vivants unicellulaires, agents de la fermentation, de la putréfaction, des maladies infectieuses. Controverse qui dure 1 siècle : Certaines spores microbiennes présentes dans des infusion végétales: résistantes à la chaleur, germent dans le milieu nutritif même après stérilisation par la chaleur Dia 1 UN PEU D’HISTOIRE Développement de la microbiologie expérimentale: Isoler, caractériser, cultiver des microbes:possible par l’utilisation de matériel stérile et des techniques d’asepsie. Un seule cellule contaminante fait échouer une expérience… Spallanzani ( ) Ce savant fut le premier à cultiver des microbes en utilisant un milieu nutritif. Il faisait pousser des microorganismes dans du jus de viande placé dans une bouteille. Il démontra à cette occasion que les microbes ne poussent pas si le jus de viande a été bouilli et reste à l'abri de l'air. En revanche, si le liquide vient en contact avec l'air, les microbes se développent. Il réfutait ainsi la théorie de la génération spontanée tenue pour acquise à cette époque. Ces expériences sont difficiles à reproduire,pendant 1 siècle elles sont sont remises en causes par les défenseurs de la théorie de la génération spontanée. En effet certaines spores microbiennes présentes dans des infusion végétales sont résistantes à la chaleur et germent dans le milieu nutritif même après stérilisation par la chaleur Pasteur ( 1860): clôt cette controverse . Les microbes (germes) sont partout dans l’air. Ce sont des organismes vivants unicellulaires qui sont les agents de la fermentation, de la putréfaction, des maladies infectieuses.

21 Paramètres à définir pour des conditions de culture optimales:
Organismes vivants: les microbes se multiplient dans un environnement favorable Paramètres à définir pour des conditions de culture optimales: Eau (90 %) Nutriments : sucre (source énergétique et source carbone), azote (synthèse acides aminés et bases), sels minéraux (NaCl....), vitamines, éléments rares (Zn, Cu, Fe....) Salinité (équilibre osmotique entre l’intérieur et l’extérieur) Température Oxygénation (aérobie/anaérobie) pH …

22 La molécule d’eau, une molécule bipolaire
Dans la molécule d’eau, l’oxygène capte plus fortement les électrons que l’hydrogène. La charge négative des électrons engagés dans les liaisons n’est donc pas répartie de manière homogène entre les atomes d’hydrogène et d’oxygène : l’atome d’oxygène est chargé négativement et l’atome d’hydrogène positivement. C’est une molécule polaire. Cette polarité est une propriété extrêmement importante de la molécule d’eau. Du fait de cette polarité, des liaisons peuvent se former entre les molécules d’eau appelées " liaisons hydrogène". Ces liaisons s’établissent entre les atomes d’hydrogène des molécules d’eau et les atomes d’oxygène de molécules d’eau voisines. Si l’eau se comportait "normalement ", elle devrait bouillir à –80°Celsius, dans les conditions de pression atmosphérique normale ! En effet, dans l’eau, les molécules, liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène, ont plus de difficulté à passer dans la phase gazeuse. Il faut auparavant qu’elles aient acquis suffisamment d’énergie pour rompre ces liaisons.

23 L’eau: un solvant quasi universel
Na+ Cl- La polarité de l’eau en fait, pour le meilleur et pour le pire, le véhicule privilégié de substances variées. Ainsi nombre de substances vitales sont acheminées par l’eau à travers le corps humain ou les plantes

24 L’eau exclu les molécules apolaires dites hydrophobes (hydrocarbures, graisses)
Cette propriété permet la formation de compartiments dont les frontières (membranes) sont constituées de molécules mixtes polaires et apolaires (acides gras) et sont imperméables à l’eau Acide gras - Membrane=bicouche lipidique

25 La membrane plasmique qui entoure la cellule et celles qui entourent les organites intracellulaires sont de bicouches lipidiques

26 Des conditions de multiplication spécifiques pour chaque espèce
Cultures sélectives en fonction du pH du milieu La levure: L’acidité du jus de raisin, (très sucré et peu de protéines), favorise la multiplication sélective de la levure responsable de la fermentation du sucre en alcool Le lactobacille: La forte concentration en protéines dans le lait neutralise le milieu et favorise la multiplication sélective du lactobacille responsable de la fermentation du lactose en acide lactique; l’acidification qui en résulte provoque la coagulation de la caséine Les bactéries dites extrêmophiles se multiplient dans des conditions extrêmes Acidophile: pH proche de 1 Basophile: pH proche de 11 On sait cultiver certains microbes (mais pas tous) en laboratoire

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28 Cultures en milieu liquide Cultures sur milieu solide:
permet la croissance clonale Une colonie est une population de microbes qui proviennent par multiplication d’une seule cellule Les caractéristiques morphologiques des colonies d’une espèce microbienne sont des critères d’identification des microbes (utilisé en microbiologie clinique pour l’identification des germes infectieux)

29 La croissance clonale permet la purification (isolement) d’une souche parmi d’autres souches présentes dans un milieu (expérience 2) Réaliser des cultures de microbes nécessite de travailler stérilement (conditions d’asepsie) (vaisselle, milieux, environnement)

30 Les champignons filamenteux,
Classification des microbes Les levures, Les champignons filamenteux, les Ciliés Eubactéries Gram- Gram+ cyanobactéries Eucaroytes 10 à 100 µm Matériel génétique délimité par une membrane = noyau (karyon) Nombreux organites internes faits de membranes Procaroytes 1-3 mm matériel génétique non enfermé dans un noyau délimité, tous unicellulaires, Archae bactéries (conditions de vie extrêmes) Virus ( nm) ne se multiplient que dans une cellule

31 Eukaryotic animal cell structure

32 Les microorganismes procaryotes: Les bactéries (1-3 mm)
cyanobactéries E coli Helicobacter Anabaenas Archae methanopyrus

33 Les microorganismes eucaryotes (10-100 micron)
Les champignons filamenteux Penicillium: 25 micron candida La levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae Euplote micron Les ciliés:

34 Les Virus Leur taille est variable: de 20 à 300 nanomètres
Leur taille est très inférieure à la taille d'une cellule (100 à 1000 fois inférieure)                                                                                                                                                                                      

35 Les microorganismes sont omniprésents
dans l’air, le sol, l’eau, le corps humain, les animaux, les plantes ex: microbes /gr de sable Très nombreuses espèces différentes> 1000 Ecosystèmes très variés

36 Certains microbes sont nécessaires à notre santé
Flore microbiennes du corps ->défense immunitaire passive ->E. coli aide à la digestion, assimilation de la vitamine K Le Tube Digestif Certains microbes sont utiles Par exemple: pour la fabrication du pain, du vin, des fromages … Pour produire des médicaments (antibiotiques), des vaccins…

37 Certains microbes sont nuisibles (pathogènes)
Ils infectent les plantes, insectes, poissons, oiseaux, animaux Ils sont responsables des maladies infectieuses Streptocoque Globule rouge Cellule humaine lymphoïde infectée par HIV. grossissement x14,555 Type: TEM Virus mature

38 Prévention et différents modes de conservation des aliments
Empêcher la contamination par les germes: laver, filtrer, tuer (eau de javel, chaleur, radiations) Empêcher la multiplication des germes Salaison (déshydratation) Sucre (déshydratation) Vinaigre (acidité) Le séchage (déshydratation) Le froid (ralentissement du métabolisme) La congélation (modification de la structure de l’eau) Les antibiotiques

39 La guerre des espèces bactériennes
Penicillium (champignon filamenteux) E. coli Tous les antibiotiques ne sont pas actifs sur toutes les espèces bactérienne. On parle du spectre d’action d’un antibiotique Par exemple E coli est sensible à l’amoxicilline ne l’est pas à la josacine Certaines espèces bactériennes produisent et excrètent des antibiotiques dans leur environnement et empêchent ainsi la multiplication d’autres espèces de bactéries qui sont sensibles à ces antibiotiques, alors que les bactéries productrices sont résistantes. Les Streptomyces (bactéries) produisent environ deux tiers de tous les antibiotiques connus B3

40 Modes de fonctionnement des antibiotiques
                                                                                                                                                                                 (pénicilline …) (tétracycline chloramphénicol…) B3 antibio/modedaction.html

41 Immunité (biologie): ensemble des facteurs et des processus qui protégent l’organisme contre les micro-organismes et les substances étrangères ou anormales Immunité passive dues aux barrières naturelles constituées par la peau (épiderme) et les muqueuses Epiderme: ->barrière physique par la couche cornée (keratinocytes) imperméable au milieux hydrosolubles ->sa flore empêche la prolifération d’autres microbes Ses sécrétions sébacées disposent un film protecteur et englobe les particules ->La desquamation de la couche cornée entraîne avec elle flore microbienne et sécrétions (renouvellement en 30 j) ->Cellules immunitaires présentes dans l’épiderme: cellules de Langherans qui sont les macrophages de la peau (vers la réponse immunitaire spécifique) B3

42 Qu'est-ce qu'un biofilm ? L'activité microbiologique dans un écosystème (environnement aquatique, sol, corps humain, ...) provient en majeure partie d'une flore adhérant aux surfaces dans une structure de type biofilm et/ou agrégats. Un biofilm est défini comme un assemblage supramoléculaire constitué de colonies bactériennes fixées sur un support et enfermées dans une gangue polymère encapsulatrice (constituée de polysaccharides, de protéines, d'acides nucléiques,...). L'organisation, la forme, la densité de ces assemblages ne sont pas liés au hasard. Cette construction est une réponse aux variations des conditions écologiques.                                                                                                        Figure 1. Scanning electron micrograph of a native biofilm that developed on a mild steel surface in an 8-week period in an industrial water system. Rodney Donlan and Donald Gibbon, authors. Licensed for use, American Society for Microbiology Microbe Library. Available from: URL:

43 Distinguer les espèces microbiennes
La taille, la forme, la disposition de cellules, la présence d’un ou plusieurs flagelles et leur mode d’accrochage permettent aussi de différencier les espèces bactériennes (observation au microscope). Le métabolisme est le principal caractère de différenciation des espèces bactériennes (test de croissance sur différents milieux) Distinguer les espèces microbiennes