biologie

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 (→ vie). Elle regroupe les disciplines consacrées auxanimaux, auxvégétaux et auxmicro-organismes, à leurenvironnement et à leurévolution.

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Cependant, on tend à utiliser le terme « biologie » dans un sens plus restrictif, limité aux sciences qui ont pour objets d'étude lescellules et lesmolécules constitutives des êtres vivants, et dont les applications médicales et industrielles sont multiples.

1. 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).

1.1. Les niveaux d'organisation du monde vivant

Organismes, populations, milieux

Animaux, végétaux,champignons et micro-organismes (ou « microbes ») représentent l'ensemble des êtres vivants, ouorganismes. 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 lesatomes.

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, oubiotope, représente une communauté vivante, oubiocénose. L'entité formée par un milieu géographique et une communauté vivante est unécosystème, élément de base de l'environnement naturel. L'ensemble desécosystèmes de la planète forme labiosphère, c'est-à-dire la faible portion de laTerre 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

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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 desbactéries, relativement plus simple, ne comprend pas d'organites. Les organites sont eux-mêmes des associations de molécules : desmacromolécules (grossesprotéines,A.D.N.,glucides etlipides complexes) et des molécules simples. Entre ces dernières et les macromolécules, on peut distinguer plusieurs niveaux d'organisation.

La biologie cellulaire, oucytologie, étudie la cellule, sa composition (cloisons,cytoplasme, organites), ses propriétés et ses fonctions (nutrition, croissance, reproduction, échanges avec le milieu environnant, etc.). Labiochimie 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, labiologie moléculaire est centrée sur l'étude des macromolécules, à partir des données de la biologie cellulaire et de lagénétique. Cette discipline trouve de nombreuses applications en médecine et dans lesbiotechnologies.

Les niveaux anatomiques

Dans un organisme pluricellulaire (animal, plante), les cellules se regroupent pour former destissus. Un organe est un assemblage de cellules spécialisées, ou de tissus, réalisant une tâche particulière (lesreins 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, lesuretères, lavessie et l'urètre forment l'appareil urinaire).

L'anatomie est la science spécialisée dans l'étude desorganes, 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 laphysiologie, 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 mêmeespèce, 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).

1.2. Autres disciplines de la biologie

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On peut également diviser les sciences biologiques, selon les organismes étudiés, en biologie animale, ouzoologie, biologie végétale, oubotanique, et biologie des micro-organismes, oumicrobiologie.

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

Enfin, des disciplines étudient lareproduction et lacroissance 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 ; → génétique), ainsi que les êtresfossiles et l'évolution(paléontologie).

2. 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.

2.1. L'histoire naturelle

Si le terme de « biologie » n'est introduit en France qu'au début duxix^e s. parJean-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 grecThalès de Milet (vers 625-vers 547 avant J.-C.). À sa suite,Aristote (384-322 avant J.-C.) opère la premièreclassification des animaux, fondée sur la comparaison de leurs caractères anatomiques ; ses travaux influenceront durablement la pensée scientifique de l'islam et du monde chrétien.

Aui^er s. après J.-C., les connaissances progressent enzoologie et en botanique, avecPline l'Ancien (23-79) etDioscoride (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 lesplantes et lesanimaux, et mêlephilosophie,religion et observation méthodique du monde.

2.2. 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 suisseParacelse (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. Auxviii^e s., avec le FrançaisRéaumur (1683-1757), qui porte un regard d'une grande acuité sur lesinsectes et d'autres animaux, et son compatrioteBuffon (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.

2.3. La biologie expérimentale

Lexviii^e s. voit naître la biologie expérimentale : l'ItalienLazzaro Spallanzani (1729-1799) réalise les premièresfécondations artificielles sur desamphibiens 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 lagénération spontanée et préparant les travaux deLouis Pasteur (1822-1895).

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Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794), avec ses découvertes sur le rôle de l'oxygène dans larespiration, pose les bases de la physiologie, discipline qui connaîtra un développement spectaculaire auxix^e s., avec notamment le FrançaisClaude 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 RusseIvan Petrovitch Pavlov (1849-1936), qui étudie le fonctionnement normal dusystème nerveux et met en évidence les réflexes conditionnés.

2.4. La botanique

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La biologie végétale, oubotanique, est restée longtemps une science de description, de classification et d'utilisation des plantes pour l'agriculture et lamédecine. Auxvii^e 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 desxviii^e etxix^e s. (découverte et description de nouvelles espèces) et des travaux de classification du SuédoisCarl 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'auxix^e 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.

3. 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.

3.1. L'approche écologique

À l'instar de l'écologie, plusieurs disciplines fondamentales de la biologie contemporaine naissent auxix^e s., pour se rassembler en un vaste corpus scientifique à partir du milieu duxx^e 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

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SiGeorges 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 BritanniqueCharles 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, lexx^e 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 duxix^e s., ce n'est qu'au début duxx^e 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 (ounéodarwinisme).

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 nommesélection 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 debiodiversité. 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.

3.2. 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 » oueugénisme). 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'AutrichienGregor Mendel (1822-1884) établit des lois de l'hérédité, qui fondent la génétique. Dans les années 1920, le biologiste américainThomas Hunt Morgan (1866-1945) localise les gènes, supports matériels de l'hérédité, sur leschromosomes. En 1953, la biologie moléculaire prend son essor avec la découverte de la structure de l'A.D.N. parJames Watson (né en 1928) etFrancis Crick (1916-2004). En 1961,Jacques Monod (1910-1976) etFrançois Jacob (né en 1920) inaugurent l'étude de la régulation desgènes. 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 dugénome humain.

3.3. 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.).