Biologie

Biologie

La biologie (du gr. bios« vie » et logos« discours » ou « raisonnement ») est la science de la vie qui comprend toutes les études relatives aux organismes vivants et est donc essentiellement interdisciplinaire. Tout usage du terme par des spécialistes avec un sens restrictif témoigne d'une étroitesse d'esprit et est impropre.

Les études biologiques d'organismes ou de groupes d'organismes s'effectuent à divers niveaux d'organisation : moléculaire, cellulaire, anatomique, physiologique, comportemental, écologique et évolutionniste. De grands progrès ont été réalisés, particulièrement en BIOCHIMIE et en microscopie électronique. Ces découvertes ont influencé la classification à tous les niveaux de la taxonomie au cours des 40 dernières années.

Bien des organismes classés ensemble en raison de leur forme ou de leur structure (morphologie de base) sont maintenant considérés comme appartenant à des classes différentes. Il est évident que l'utilisation de divisions comme les monères, les protistes, les CHAMPIGNONS, les VÉGÉTAUX ou les ANIMAUX pour classer les êtres vivants est préférable à la classification classique qui ne comprenait que les règnes végétal et animal. Les cinq règnes vivants sont répartis en deux grands super-règnes : les procaryotes (cellules sans membrane nucléaire) et les eucaryotes (cellules dont le noyau est entouré d'une membrane). D'autres différences au niveau de la structure nucléaire contribuent à rendre la différenciation évidente et absolue.

Les procaryotes ne comprennent que le règne des Monères, qui est constitué des bactéries, y compris les Cyanobactéries (anciennement appelées ALGUES BLEUES). La limite inférieure des Monères est mal définie parce que les virus, dont la structure n'est pas cellulaire, sont parfois inclus dans cette division. Certains virus sont si peu complexes qu'ils ne sont guère plus que des molécules autoreproductrices et on hésite à les considérer comme des êtres vivants véritables.

Le règne le moins complexe des Eucaryotes est celui des Protistes. Les organismes de ce groupe sont essentiellement unicellulaires et possèdent un noyau organisé, de même que des organites responsables de la photosynthèse, de la respiration cellulaire, du métabolisme, etc. Ce règne est plutôt disparate. Cependant, les Protistes se reproduisent pratiquement toujours par une forme de division nucléaire mitotique. Par exemple, le noyau se divise pour former deux nouveaux noyaux possédant chacun un nombre de chromosomes identique à celui de la cellule mère. Les cellules eucaryotes sont généralement beaucoup plus grandes que celles des procaryotes.

Selon leur évolution, les Protistes proviendraient des Monères, mais ce processus évolutif demeure mal compris. Une théorie récente suggère que les structures spécialisées des cellules eucaryotes (les organites) proviendraient de Monères qui se seraient adaptées à vivre à l'intérieur d'un autre Monère plus gros. Cette théorie sur l'origine symbiotique est convaincante dans le cas des chloroplastes (organites photosynthétiques), entre autres pour certaines algues rouges dérivées des Cyanobactéries, pour les algues vertes provenant d'un procaryote vert comme le Prochloron et pour d'autres groupes d'algues provenant de procaryotes photosynthétiques disparus ou non connus.

Bien que cette théorie soit moins convaincante en ce qui concerne les autres organites, elle demeure plus plausible que certaines des autres théories proposées. Le passage des Monères aux Protistes s'est probablement produit plusieurs fois au cours de l'histoire de la vie. En fait, les Protistes ne constituent pas un regroupement « naturel » (c'est à dire un ensemble d'organismes provenant tous du même ancêtre). Ce règne sert en quelque sorte de fourre-tout dans lequel on place divers organismes ayant atteint un niveau d'évolution semblable.

Les trois règnes « supérieurs » (Animaux, Végétaux et Champignons) proviennent de différents groupes de protistes. Il est difficile de définir la limite entre les protistes et ces règnes supérieurs. Par exemple, bien que les Moisissures gluantes (ou Myxomycètes) ressemblent plus à des Protozoaires qu'à des Champignons, comme elles se reproduisent par spores et forment des fructifications comme les Champignons, elles sont surtout étudiées par les spécialistes de ce groupe (les mycologues) et dans les HERBIERS, ils sont placés avec les Champignons.

Un cas encore plus litigieux est celui des Chytridiomycètes, des organismes aquatiques microscopiques. Certains théoriciens les classent dans les Protistes, mais leur ressemblance avec les Champignons en a fait un sujet d'étude réservé aux mycologues. De tels problèmes montrent que la classification est faite par l'homme et qu'elle n'est pas entièrement naturelle. Cependant, si on excepte leurs limites inférieures, les trois règnes supérieurs sont clairement distincts.

Les termes taxonomie et systématique sont devenus pratiquement synonymes, ce qui est un usage fautif. Le terme taxonomie (ou taxinomie), créé en 1813, englobe les bases, les principes et les règles de la classification et de la nomenclature (nomination), de même que la structure hiérarchique; il se rapporte à une méthodologie de support plutôt qu'à une discipline de recherche.

La systématique moderne (l'étude de l'organisation concrète, du regroupement et de la nomination des organismes) a vu le jour au XVIII^e siècle avec le travail du botaniste suédois Carl von Linne (Linnaeus). Celui-ci a développé une nomenclature binominale qui attribue à chaque espèce un nom scientifique unique formé de deux mots latins (le premier mot est appelé le genre et le second l'espèce) et qui indique parfois les liens entre les espèces.

La systématisation n'a véritablement progressé que lorsque la GÉNÉTIQUE est réapparue et que la cytologie (l'étude de la cellule) s'est développée. Les botanistes en particulier se servent de plus en plus des données cytologiques pour regrouper les organismes. Grâce à Julian Huxley et à d'autres chercheurs, la nouvelle systématique s'est répandue aux environs de 1940 et on l'a rapidement renommée biosystématique. Celle-ci se définit comme l'étude scientifique de la diversité des organismes vivants et des relations entre les espèces. L'approche générale de la systématique pour la plupart des espèces se sert de toutes les disciplines appropriées, mais le choix de la discipline dépend de l'organisme étudié. Par exemple, la cytogénétique, qui étudie les chromosomes à l'intérieur des cellules, ne peut être utilisée de façon courante pour un grand nombre de Champignons, puisque leurs chromosomes sont difficiles à observer.

Bien qu'on ait essayé de restreindre son champ d'étude, la systématique est reconnue pour son utilisation de toute discipline qui complète la morphologie et l'anatomie. Parmi ces disciplines, on trouve la cytologie, la génétique, la biochimie, l'écologie, la BIOGÉOGRAPHIE, la biologie de la reproduction, la parasitologie, l'éthologie (étude du comportement animal) et, grâce à l'apparition des ordinateurs, les analyses mathématiques des données. Les étudiants faisant des études supérieures en systématique végétale doivent maintenant compléter leur formation en morphologie par au moins une autre discipline, et une connaissance des méthodes d'analyse statistique et de programmation des systèmes informatiques est nécessaire à ce niveau. La systématique est donc au coeur de la biologie. Elle relie toutes les disciplines et explique l'ÉVOLUTION, même si la complexité de la biologie rend une unification complète difficile, sinon impossible.

La recherche biologique existe depuis longtemps au Canada, mais les chercheurs envoyaient leurs spécimens en Europe pour qu'ils y soient étudiés. En conséquence, la systématique s'est développée tardivement au Canada. Cependant, son développement s'est accéléré au début du XX^e siècle. À l'apparition de la systématique au Canada, les universités et les instituts de recherche canadiens étaient prêts à contribuer à cette discipline élargie. L'apport du Canada a été plus évident dans l'étude de certaines espèces particulières de fleurs, d'insectes et de champignons.

Disciplines

Les disciplines désignant l'étude de chacun des cinq règnes (bactériologie, protistologie, mycologie, BOTANIQUE et ZOOLOGIE) sont trop vastes pour être considérées comme des disciplines individuelles, sauf en ce qui concerne leur introduction générale. Parmi les disciplines universitaires relatives à la biologie (les disciplines spécifiques à la médecine non comprises), on trouve : l'anatomie (l'étude des structures internes des organismes), la biochimie, la biogéographie, la biométrie, la cytologie, la cytogénétique, l'écologie, l'embryologie, l'ENTOMOLOGIE, l'éthologie, l'évolution, la biologie des pêches, la génétique, le GÉNIE GÉNÉTIQUE, l'histologie (l'étude des tissus cellulaires), la limnologie (la biologie aquatique, particulièrement en eau douce), la biologie marine, la microbiologie, la BIOLOGIE MOLÉCULAIRE, la morphologie (l'étude de la forme et de la structure des organismes), la PALEONTOLOGIE (qui comprend la micropaléontologie et la PALYNOLOGIE), la PARASITOLOGIE, la pathologie (l'étude des maladies humaines, animales ou végétales), la physiologie, la taxonomie et la systématique, la toxicologie et la pharmacologie, ainsi que l'étude de l'ultrastructure cellulaire (l'étude de la structure détaillée des organites cellulaires).

Certaines disciplines (p. ex. l'écologie, la génétique, la microbiologie) comportent plusieurs subdivisons et certaines autres se chevauchent (p. ex. la biogéographie et l'écologie). Beaucoup de disciplines ne limitent pas leur application aux organismes d'un seul règne. Le nombre potentiel de champs d'étude est donc énorme. L'évolution est comprise dans l'énumération précédente bien qu'elle ne soit pas une discipline, mais plutôt une théorie qui concerne toutes les disciplines de la biologie.

Succès multidisciplinaires

Presque tous les organismes sont influencés par des facteurs physiques variables, en particulier la lumière, la température, l'humidité, les précipitations, le vent, la texture du sol et ses nutriments, l'érosion et le feu. En écologie, non seulement on étudie les relations des organismes entre eux, mais aussi les relations des organismes avec les facteurs physiques de leur environnement. En conséquence, la majorité des problèmes biologiques comportent plus de variables qu'un problème de physique pourrait en comporter. Tous les atomes d'un élément chimique sont identiques, mais tous les organismes qui ont un mode de reproduction sexué sont différents. Bien souvent, un problème biologique ne peut être résolu que partiellement, mais un biologiste conscient des facteurs impliqués peut généralement interpréter le phénomène étudié.

La croissance rapide et la complexité croissante de la biologie rendent la spécialisation nécessaire, même chez les débutants. Cependant, il est nécessaire de faire appel à plusieurs disciplines de la biologie et de la physique pour résoudre certains problèmes, et certains compromis doivent être faits. Au cours des études supérieures, le travail se fait principalement en équipe. Plusieurs exemples de contributions canadiennes en ce qui concerne les succès multidisciplinaires sont décrits ci-après.

Une équipe composée d'un botaniste-mycologue ayant des connaissances en aérodynamique et en météorologie et d'un mathématicien a percé à jour le mécanisme de déversement par la corolle propre à diverses plantes; ce mécanisme emploie l'eau qui tombe pour disperser les graines ou les spores. À leur surprise, ils ont découvert que la vitesse acquise d'une goutte de 4 à 4,5 mm de diamètre (comme celles qui tombent du feuillage) après une chute de moins de 1 m est supérieure à la vitesse terminale d'une goutte de pluie typique de 2 mm de diamètre. Cette découverte a expliqué pourquoi la saxifrage dorée (Chrysosplenium) fleurit dans les marécages arctiques où le brouillard et la bruine ne permettent aux gouttes qui tombent des herbes basses et du foin plat qu'une chute d'à peine 0,5 m. Cela explique également pourquoi les champignons provenant des nids d'oiseaux croissent sous les arbustes nains dans le désert du Pérou où le brouillard est la seule précipitation.

Des notions en aérodynamique ont permis à un ornithologue amateur de prouver que l'Archaeopteryx, un oiseau du Jurassique aujourd'hui disparu, ne possédait pas un coup d'aile très puissant, mais planait par contre avec aisance. On a démontré que la forme et la fonction de ses ailes était semblable à celles du passereau de l'ère moderne. Les paléontologistes prétendaient que les ailes, qui n'étaient pas rattachées à de puissants muscles pectoraux, ne servaient qu'à chasser les insectes et les plumes, à réchauffer l'oiseau.

L'étude de divers parasites jette un éclairage nouveau sur les liens évolutifs entre les espèces végétales et nécessite de combiner la systématique végétale à la mycologie, l'entomologie ou la nématologie. Le champignon responsable de la rouille et le végétal hôte reflètent leur âge d'origine, car les compléments génétiques du parasite et de l'hôte sont plus susceptibles d'être compatibles lorsque ceux-ci sont aux premiers stades de leur évolution. Des années d'études combinant l'écologie et la biogéographie des parasites et des hôtes ont permis de fournir cette explication et, finalement, de mieux comprendre l'interaction parasite-hôte et de déterminer l'âge relatif de nombreux groupes de végétaux.

Le cycle régulier de population du LEMMING à collier est habituellement de quatre ans, mais il est irrégulier dans certaines parties de l'Arctique. Par le biais d'études microclimatologiques et écologiques, des zoologistes spécialisés dans la faune sauvage ont découvert que, la chute de neige étant faible et irrégulière à ces endroits, la température dans les terriers est trop basse pour permettre un cycle de reproduction normal.

Des études botaniques ont été effectuées dans l'Arctique, au début du printemps, lorsque la glace marine était encore intacte et que les amas de neige étaient lisses et compactés. Des recherches en aérodynamique ont montré que le vent peut porter les graines de la plupart des végétaux arctiques sur de longues distances tout au long de l'année, même si ces graines ne possèdent pas d'ailes ou de plumes. Elles ont donc tendance à s'accumuler dans les endroits propices à leur croissance, au pied des amas. La découverte de ce moyen de dispersion a permis d'expliquer la grande uniformité de la flore relativement jeune de l'Arctique.

Biologie appliquée

La recherche en biologie peut se diviser en trois secteurs qui sont étroitement reliées : la recherche fondamentale, la recherche appliquée et la technologie. Un bon exemple serait la production du BLÉ. Le blé cultivé provient de l'hybridation d'espèces sauvages. Les améliorations dépendent de la justesse de la connaissance des particularités utiles des espèces sauvages. C'est le botaniste taxonomiste qui fournit cette information. Le généticien spécialiste des céréales développe des techniques qui permettent le transfert des gènes appropriés dans les plants de blé. Le spécialiste de la reproduction décide de l'équilibre idéal pour que la nouvelle variété présente les caractéristiques souhaitées. Finalement, les spécialistes du développement augmentent les stocks afin d'être en mesure de répondre à la demande des agriculteurs.

Bien qu'une grande part de la recherche en agriculture soit appliquée, il est nécessaire de faire un retour à la recherche fondamentale pour résoudre certains problèmes, entre autres, dans le cas de la protection des récoltes, de l'entreposage des aliments, de la pathologie végétale ou de la médecine vétérinaire. L'inefficacité des premières tentatives pour contrôler la rouille sur la tige du blé (Puccinia graminis) a conduit à la mise sur pied du Rust Research Laboratory, à Winnipeg. Les travaux de recherche fondamentale qu'on y a menés ont permis de mieux comprendre la génétique du blé ainsi que la génétique et l'historique des agents pathogènes responsables des maladies affectant la plante. Des études systématiques de la rouille chez les végétaux indigènes ont permis de mieux connaître la biologie du champignon causant la rouille. Pour ce qui est des récoltes en général, un botaniste, un chimiste ou un mycologue est en mesure de fournir l'information nécessaire au généticien et au spécialiste de la reproduction; après des tests complets, la variété améliorée est commercialisée.

Il existe plusieurs autres exemples d'interactions fructueuses. Entre autres, la propagation d'abeilles coupeuses de feuilles qui contribuent à la fertilisation de la luzerne, une pratique provenant de la biologie de pollinisation; la croissance de l'industrie des antibiotiques grâce à des années d'essais en laboratoire et d'expérimentation; le domaine du génie génétique qui s'est développé grâce à des études de base en génétique microbienne et en biologie moléculaire. Les nouvelles techniques mises au point ont contribué tant à la recherche médicale qu'à l'industrie, comme dans le cas de l'identification et de la manipulation des gènes susceptibles de causer le cancer. Les domaines où on fait surtout de la recherche appliquée sont l'ÉLEVAGE DES ANIMAUX, l'étude des maladies animales, la CONSERVATION ET AMÉNAGEMENT DE LA FAUNE, l'entomologie économique, la recherche forestière, la reproduction végétale, l'étude des MALADIES DES PLANTES, la pédologie (l'étude et l'échantillonnage des sols).

Plusieurs domaines sont essentiellement commerciaux et ne font appel à la recherche fondamentale qu'en cas de problème. C'est le cas de l'apiculture, des brasseries et de l'industrie vinicole, des fromageries, de l'agriculture, de la pisciculture, de l'horticulture, de la fermentation industrielle et de la culture des champignons. D'autres domaines de la recherche appliquée servent de soutien à l'enseignement et à la recherche, par exemple l'illustration et la fabrication de maquettes en biologie, le classement d'échantillons, la préparation commerciale d'échantillons, le travail technique en laboratoire, l'entretien et l'exploitation de parcs ou de jardins botaniques et zoologiques, ainsi que la taxidermie.

Organismes de recherche

La majeure partie de la recherche en biologie au Canada s'effectue dans les départements de biologie des universités, dans les musées ou instituts provinciaux et fédéraux, ainsi que dans les laboratoires du ministère de l'Agriculture et de l'Agroalimentaire, de l'Office des recherches sur les pêcheries, du Service forestier, du CONSEIL NATIONAL DE RECHERCHES DU CANADA et du Service de la faune. Certaines recherches sont publiées dans des bulletins, comme celui du Musée canadien de la nature ou du Service de la faune, dans les monographies du ministère de l'Agriculture et de l'Agroalimentaire ou encore dans un grand éventail de revues scientifiques.

Certains articles paraissent dans des journaux étrangers ou multidisciplinaires. Les principales publications canadiennes (à l'exception des publications du domaine médical) sont : le Canadian Entomologist, le Canadian Field Naturalist, la Revue canadienne de zootechnie, le Journal canadien de botanique, le Journal canadien de recherche forestière, Génome (anciennement le Journal canadien de génétique et de cytologie), le Journal canadien de microbiologie, la Revue canadienne de phytopathologie, la Revue canadienne de phytotechnie, le Journal canadien de zoologie et Le Naturaliste canadien.