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Micro-organisme

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Un cluster de Escherichia coli les bactéries ont grossi 10 000 fois.

UNE micro-organisme, ou microbe, est un organisme (forme de vie) microscopique (trop petit pour être vu à l'œil nu). Les micro-organismes peuvent être des bactéries, des champignons, des archées ou des protistes, mais pas des virus et des prions, qui sont généralement classés comme non vivants. Les micro-organismes sont souvent décrits comme unicellulaires, ou unicellulaire, organismes; cependant, certains protistes unicellulaires sont visibles à l'œil humain, et certaines espèces multicellulaires sont microscopiques.

Les micro-organismes vivent presque partout sur la terre où il y a de l'eau liquide ou même une infime quantité d'humidité, y compris des sources chaudes au fond de l'océan, profondément à l'intérieur des roches dans la croûte terrestre, sur la peau humaine, dans l'estomac d'une vache et à l'intérieur d'une éponge utilisée pour laver la vaisselle. De nombreux micro-organismes sont essentiels au recyclage des nutriments dans les écosystèmes car ils agissent comme des décomposeurs, tandis que d'autres vivant dans des nodules sur les racines de certaines plantes convertissent l'azote de l'air en une forme utilisable par les plantes. Les micro-organismes se multiplient rapidement dans de bonnes conditions de croissance, contribuant souvent au bénéfice de l'organisme hôte végétal ou animal plus gros et existant dans un équilibre dynamique sain avec d'autres micro-organismes et l'organisme hôte. Parfois, cependant, les microbes pathogènes peuvent envahir des organismes plus gros, outrepasser les défenses de cet organisme et provoquer des maladies.

Aussi différents que les micro-organismes soient des êtres humains, l'unité de la vie se manifeste dans les nombreuses caractéristiques partagées entre les humains et les micro-organismes, y compris une biochimie à base de carbone avec du matériel génétique basé sur des acides nucléiques tels que l'ADN (en utilisant un code génétique quasi universel), la présence de membranes cellulaires, le besoin d'énergie et de métabolisme, etc. Cette similitude permet même aux microbes et aux êtres humains de se rapporter, que ce soit la relation bénéfique E. coli dans le système digestif humain ou la relation nocive dans laquelle les humains servent d'hôte au protozoaire Plasmodium, qui cause le paludisme.

L'étude des micro-organismes (et virus) est appelée microbiologie.

Histoire

Origine et évolution

Les microorganismes procaryotes unicellulaires ont été les premières formes de vie à se développer sur Terre, il y a environ 4 milliards d'années et pendant environ 3 milliards d'années, tous les organismes étaient microscopiques (Schopf 1994). Par conséquent, pendant la majeure partie de la période de vie sur terre, les micro-organismes ont été la seule forme de vie. (Delong et Pace 2001). L'identification de bactéries, d'algues et de champignons dans de l'ambre vieux de 220 millions d'années montre que la morphologie des micro-organismes n'a pas changé de manière significative depuis le Trias (Schmidt et al. 2006).

La plupart des micro-organismes se reproduisent rapidement et en grand nombre. Les procaryotes, tels que les bactéries, se reproduisent de manière asexuée. Mayr (2001) note que "la reproduction sexuelle est inconnue chez eux". Cependant, ils échangent également librement des gènes latéralement par conjugaison, transformation et transduction, y compris parmi des espèces très divergentes (Wolska 2003). Mayr (2001) note que même les archéobactéries (archées) échangent des gènes avec d'autres familles. Ce transfert de gène horizontal ou latéral, couplé à un taux de mutation élevé et à de nombreux autres moyens de variation génétique permet aux procaryotes de s'adapter rapidement (via la sélection naturelle au niveau microévolutionnaire) pour survivre dans de nouveaux environnements et répondre aux stress environnementaux. Cette microévolution rapide couplée à une reproduction asexuée rapide a conduit au développement récent de bactéries pathogènes "super-bugs" résistantes aux antibiotiques qui sont résistantes aux antibiotiques modernes (Enright et al. 2002).

Découverte

Anton van Leeuwenhoek, la première personne à observer des micro-organismes à l'aide d'un microscope

Avant la découverte des micro-organismes par Anton van Leeuwenhoek en 1676, il était difficile de savoir pourquoi les raisins pouvaient être transformés en vin, le lait en fromage ou pourquoi la nourriture se gâtait. Leeuwenhoek n'a pas fait le lien entre ces processus et les micro-organismes, mais il a établi qu'il y avait des formes de vie qui n'étaient pas visibles à l'œil nu (Leeuwenhoek 1753a, 1753b). La découverte de Leeuwenhoek, ainsi que les observations ultérieures de Lazzaro Spallanzani et Louis Pasteur, ont mis fin à la croyance de longue date selon laquelle la vie est apparue spontanément à partir de substances non vivantes au cours du processus de détérioration.

Lazzarro Spallanzani a découvert que les micro-organismes ne pouvaient se déposer dans un bouillon que si le bouillon était exposé à l'air. Il a également constaté que faire bouillir le bouillon le stériliserait et tuerait les micro-organismes. Cependant, cela n'a pas réglé le problème de la génération spontanée car certains ont estimé que l'ébullition du bouillon éliminait également la "force vitale" et que le scellement des flacons empêchait l'air avec cette force vitale d'entrer et de générer de la vie (Towle 1989).

Louis Pasteur a développé les découvertes de Spallanzani en exposant les bouillons bouillis à l'air dans des récipients contenant un filtre pour empêcher toutes les particules de traverser le milieu de croissance, ainsi que dans des récipients sans filtre du tout, l'air étant admis via un tube incurvé qui ne permettrait pas aux particules de poussière d'entrer en contact avec le bouillon. En faisant bouillir le bouillon au préalable, Pasteur s'assure qu'aucun micro-organisme ne survit dans les bouillons au début de son expérience. Rien n'a poussé dans les bouillons au cours de l'expérience de Pasteur. Cela signifiait que les organismes vivants qui se développaient dans de tels bouillons venaient de l'extérieur, sous forme de spores sur la poussière, plutôt que générés spontanément dans le bouillon. Pasteur a affirmé avoir «poussé les partisans de la doctrine de la génération spontanée dans le coin» (Towle 1989). Ainsi, Pasteur a porté le coup fatal à la théorie de la génération spontanée et a soutenu la théorie des germes de la maladie. L'opinion selon laquelle les organismes vivants ne provenaient que d'autres organismes vivants, ou biogenèse, est devenue la pierre angulaire de la biologie (Towle 1989).

En 1876, Robert Koch a établi que les microbes peuvent provoquer des maladies. Il l'a fait en constatant que le sang des bovins infectés par l'anthrax contenait toujours un grand nombre de Bacillus anthracis. Koch a également découvert qu'il pouvait transmettre l'anthrax d'un animal à un autre en prélevant un petit échantillon de sang de l'animal infecté et en l'injectant dans un animal sain, provoquant la maladie de l'animal en bonne santé. Il a également découvert qu'il pouvait cultiver la bactérie dans un bouillon de nutriments, l'injecter à un animal en bonne santé et provoquer des maladies. Sur la base de ces expériences, il a conçu des critères pour établir un lien de causalité entre un microbe et une maladie dans ce que l'on appelle maintenant les postulats de Koch (conférences Nobel 1967). Bien que ces postulats ne puissent pas être appliqués dans tous les cas, ils conservent une importance historique dans le développement de la pensée scientifique et sont encore utilisés aujourd'hui (O'Brien et Goedert 1996).

Types de micro-organismes

Un arbre de vie phylogénétique basé sur les différences d'ARNr, montrant la séparation des bactéries, des archées et des eucaryotes.

Les micro-organismes se trouvent presque partout dans l'organisation taxonomique de la vie sur la planète. Les bactéries et les archées sont presque toujours microscopiques, tandis qu'un certain nombre d'eucaryotes sont également microscopiques, y compris la plupart des protistes et un certain nombre de champignons. Les virus sont généralement considérés comme non vivants et ne sont donc pas à proprement parler des microbes, bien que le domaine de la microbiologie englobe également l'étude des virus.

Les bactéries

Staphylococcus aureus bactéries grossies environ 10 000x

Les bactéries procaryotes sont le groupe d'organismes le plus simple et le plus diversifié et le plus répandu sur Terre. Les bactéries habitent pratiquement tous les environnements où de l'eau liquide est disponible et où la température est inférieure à 140 ° C. On les trouve dans l'eau de mer, le sol, le tractus gastro-intestinal, les sources chaudes et dans les aliments. Pratiquement toutes les surfaces qui n'ont pas été spécialement stérilisées sont couvertes de bactéries. Le nombre de bactéries dans le monde est estimé à environ cinq millions de milliards de milliards, soit 5 × 1030 (Coleman et Wiebe 1998).

Les bactéries sont pratiquement toutes invisibles à l'œil nu, à quelques rares exceptions près, telles que Thiomargarita namibiensis (Schulz et Jorgensen, 2001). Ce sont des organismes unicellulaires et manquent d'organites, y compris un noyau. Leur génome est généralement une seule chaîne d'ADN, bien que certains d'entre eux hébergent de petits morceaux d'ADN appelés plasmides. Les bactéries sont entourées d'une paroi cellulaire. Ils se reproduisent asexuellement par fission binaire. Certaines espèces forment des spores, mais pour les bactéries, c'est un mécanisme de survie et non de reproduction. Dans des conditions optimales, les bactéries peuvent se développer extrêmement rapidement et ont été signalées comme doublant aussi rapidement que toutes les dix minutes (Eagon 1962).

Archaea

Les Archaea sont des organismes microscopiques unicellulaires dépourvus de noyaux et sont donc des procaryotes, classés comme Monera dans la taxonomie alternative à cinq royaumes, mais le domaine Archaea dans le système à trois domaines et le royaume Archaebacteria dans le système à six royaumes. Ils ont été initialement décrits dans des environnements extrêmes, mais ont depuis été trouvés dans tous les types d'habitats (Robertson et al. 2005).

Un seul organisme de ce domaine a été appelé «archéen». De plus, ce terme biologique est également utilisé comme adjectif.

Eucaryotes

Tous les êtres vivants qui sont individuellement visibles à l'œil nu sont des eucaryotes (à quelques exceptions près, comme le monocellulaire visible Thiomargarita namibiensis), y compris les humains. Cependant, un grand nombre d'eucaryotes sont également des micro-organismes.

Les eucaryotes se caractérisent par la présence d'un noyau, un organite qui abrite l'ADN. L'ADN lui-même est organisé en chromosomes complexes. les mitochondries sont des organites qui sont vitales dans le métabolisme car elles sont le siège de la respiration cellulaire. Les mitochondries seraient originaires de bactéries symbiotiques et possèdent leur propre ADN, qui est considéré comme un génome résiduel (Dyall et al. 2004). Les cellules végétales ont également des parois cellulaires et des chloroplastes en plus d'autres organites. Les chloroplastes produisent de l'énergie à partir de la lumière par photosynthèse. On pense également que les chloroplastes proviennent de bactéries symbiotiques (Dyall et al. 2004).

Les eucaryotes unicellulaires sont ceux dont les membres sont constitués d'une seule cellule tout au long de leur cycle de vie. Cette qualification est importante car la plupart des eucaryotes multicellulaires sont constitués d'une seule cellule au début de leur cycle de vie. Les eucaryotes microbiens peuvent être soit haploïdes soit diploïdes, ou ont rarement plusieurs noyaux cellulaires. Tous les micro-organismes ne sont pas unicellulaires car certains eucaryotes microbiens peuvent avoir plusieurs cellules.

Parmi les groupes eucaryotes, la plupart des protistes sont unicellulaires, bien que certains soient multicellulaires et coloniaux. Les protistes sont un groupe hétérogène d'organismes vivants, comprenant les eucaryotes qui ne sont pas des animaux, des plantes ou des champignons. Parmi les protistes, les protozoaires (protistes unicellulaires, microscopiques ou quasi microscopiques qui présentent certaines caractéristiques comme les animaux, telles que la motilité) sont généralement définis comme unicellulaires et la plupart sont des micro-organismes. Il s'agit notamment de micro-organismes tels que l'amibe, la paramécie, Plasmodium (cause du paludisme) et des dinoflagellés. La plupart des protozoaires mesurent environ 0,01-0,05 mm et sont trop petits pour être vus à l'œil nu, mais peuvent facilement être trouvés au microscope. Cependant, les formes jusqu'à 0,5 mm sont encore assez courantes et peuvent être vues à l'œil nu.

Les algues, qui sont généralement classées comme protistes photosynthétiques, comprennent de nombreuses espèces unicellulaires qui sont également des micro-organismes, tels que Chlamydomonas. Cependant, les algues comprennent également des formes macroscopiques, multicellulaires et certaines très grandes.

Les champignons eucaryotes ont également plusieurs espèces unicellulaires, comme la levure de boulangerie (Saccharomyces cerevisiae). Les animaux sont toujours multicellulaires, même s'ils ne sont pas visibles à l'œil nu.

Habitats et écologie

Les micro-organismes se trouvent dans presque tous les habitats présents dans la nature. Même dans des environnements hostiles tels que les pôles, les déserts, les geysers, les rochers et la mer profonde, certains types de micro-organismes se sont adaptés aux conditions extrêmes et aux colonies soutenues; ces organismes sont appelés les extrémophiles. Certains peuvent être trouvés dans des plans d'eau extrêmement salés, comme la mer Morte. Les extrémophiles ont été isolés de roches jusqu'à 7 kilomètres sous la surface de la terre (Szewzyk et al.1994), et il a été suggéré que la quantité d'organismes vivants sous la surface de la terre pourrait être comparable à la quantité de vie sur ou au-dessus de la surface (Gold 1992). Les extrémophiles sont connus pour survivre longtemps dans le vide et peuvent être très résistants aux rayons ultraviolets, ce qui peut même leur permettre de survivre dans l'espace (Horneck 1981).

De nombreux types de micro-organismes ont des relations symbiotiques intimes avec d'autres organismes plus gros; dont certains sont mutuellement bénéfiques (mutualisme), tandis que d'autres peuvent nuire à l'organisme hôte (parasitisme). Si les micro-organismes peuvent provoquer une maladie chez un hôte, ils sont connus comme pathogènes.

Le cycle de l'azote dépend de la fixation de l'azote atmosphérique. Cela peut se produire dans les nodules des racines des légumineuses qui contiennent des bactéries symbiotiques des genres Rhizobium, Mesorhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium, et Azorhizobium (Barea et al.2005).

Importance

Les micro-organismes sont essentiels à l'homme et à l'environnement, car ils participent aux cycles des éléments de la Terre, tels que le cycle du carbone et le cycle de l'azote, et remplissent d'autres rôles vitaux dans pratiquement tous les écosystèmes, tels que les chaînes alimentaires et la décomposition. La fixation de l'azote est réalisée naturellement par un certain nombre de procaryotes différents, y compris les bactéries. Les microbes constituent également une grande partie de la biomasse terrestre et sont donc essentiels aux chaînes alimentaires. Les algues microscopiques fournissent de l'oxygène et les microbes sont essentiels pour décomposer les plantes et les animaux morts, libérant leurs nutriments pour la réutilisation.

Les microbes ont également une place importante dans de nombreux organismes multicellulaires d'ordre supérieur en tant que symbiontes. La plupart des espèces de légumineuses, par exemple, fournissent un habitat pour les bactéries fixatrices d'azote et reçoivent une forme utilisable d'azote comme avantage. Les bactéries et les protistes vivant en symbiose dans l'intestin d'ongulés aux doigts égaux tels que les bovins, les cerfs, les chèvres et les moutons, décomposent la cellulose en une forme digestible de glucides, permettant ainsi aux animaux hôtes de consommer et de digérer le composé organique le plus abondant sur terre . Les deux parties bénéficient de cette relation. Les micro-organismes reçoivent de la nourriture et un endroit sûr pour vivre et l'ongulé reçoit de l'aide pour sa digestion. Les micro-organismes eux-mêmes sont également digérés, fournissant des protéines et d'autres nutriments, mais pas avant que la communauté des micro-organismes n'ait eu la chance de se reproduire et de donner naissance à une nouvelle génération pour que la relation puisse continuer (Lott 2003). Le processus génère également de la chaleur, ce qui peut aider à garder les ongulés au chaud, et décompose les toxines végétales, ce qui permet aux ongulés de manger des plantes toxiques pour d'autres animaux (Voelker 1986). Un sous-produit de la digestion microbienne est de grandes quantités de méthane, qui est expulsé par les ongulés et devient une contribution non négligeable à l'accumulation de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Les micro-organismes jouent également un rôle important dans la production alimentaire humaine, étant utilisés dans le brassage, la boulangerie et d'autres processus de fabrication d'aliments.

Les lactobacilles et les levures dans le pain au levain sont particulièrement utiles. Pour faire du pain, on utilise une petite quantité (20-25 pour cent) de pâte "starter" qui a la culture de levure, et on la mélange avec de la farine et de l'eau. Une partie de cette pâte résultante est ensuite enregistrée pour être utilisée comme entrée pour les lots suivants. La culture peut être maintenue à température ambiante et continuer à produire du pain pendant des années tant qu'elle reste alimentée en farine et en eau neuves. Cette technique était souvent utilisée lors de «sur la piste» dans le Far West américain.

Les micro-organismes sont également utilisés pour contrôler le processus de fermentation dans la production de produits laitiers cultivés, tels que le yogourt et le fromage. Les cultures fournissent également une saveur et un arôme et inhibent les organismes indésirables.

En science et technologie, les microbes sont également des outils essentiels en biotechnologie et en étude de la biochimie, de la génétique et de la biologie moléculaire. Du côté négatif, les micro-organismes peuvent également être utilisés dans la production d'armes biologiques dévastatrices pour la guerre.

Microorganismes et santé humaine

Les micro-organismes peuvent former une relation endosymbiotique avec d'autres organismes plus grands, y compris les humains. Par exemple, les bactéries qui vivent dans le système digestif humain contribuent à l'immunité intestinale, synthétisent des vitamines telles que l'acide folique et la biotine et fermentent les glucides indigestes complexes (O'Hara et Shanahan 2006).

Les micro-organismes sont également bien connus comme étant la cause de nombreuses maladies infectieuses. Les organismes impliqués comprennent les bactéries, qui causent des maladies telles que la peste, la tuberculose et l'anthrax; les protozoaires, provoquant des maladies telles que le paludisme, la maladie du sommeil et la toxoplasmose; et également des champignons provoquant des maladies telles que la teigne, la candidose ou l'histoplasmose. Cependant, d'autres maladies telles que la grippe, la fièvre jaune ou le sida sont causées par des virus, qui ne sont pas considérés comme des micro-organismes. Aucun exemple clair de pathogènes archéens n'est connu (Eckburg 2003), bien qu'une relation ait été proposée entre la présence de certains méthanogènes et la maladie parodontale humaine (Lepp et al. 2004).

Hygiène

L'hygiène implique d'éviter l'infection ou la détérioration des aliments en éliminant les micro-organismes de l'environnement. Comme les micro-organismes, en particulier les bactéries, se trouvent pratiquement partout, cela signifie dans la plupart des cas la réduction des micro-organismes nuisibles à des niveaux acceptables. Cependant, dans certains cas, il est nécessaire qu'un objet ou une substance soit complètement stérile; c'est-à-dire dépourvu de toute entité vivante et virus. Un bon exemple de cela est l'utilisation d'une aiguille hypodermique.

Dans la préparation des aliments, les micro-organismes sont réduits par des méthodes de conservation (comme l'ajout de vinaigre), des ustensiles propres utilisés dans la préparation, de courtes périodes de stockage ou par des températures fraîches. Si une stérilité complète est nécessaire, les deux méthodes les plus courantes sont l'irradiation et l'utilisation d'un autoclave, qui ressemble à un autocuiseur.

Il existe plusieurs méthodes pour enquêter sur le niveau d'hygiène dans un échantillon de nourriture, d'eau potable, d'équipement, etc. Les échantillons d'eau peuvent être filtrés à travers un filtre extrêmement fin. Ce filtre est ensuite placé dans un milieu nutritif. Les micro-organismes sur le filtre se développent ensuite pour former une colonie visible. Les micro-organismes nuisibles peuvent être détectés dans les aliments en plaçant un échantillon dans un bouillon nutritif conçu pour enrichir les organismes en question. Diverses méthodes, telles que les médias sélectifs ou la PCR, peuvent ensuite être utilisées pour la détection. L'hygiène des surfaces dures, telles que les casseroles, peut être testée en les touchant avec un solide morceau de milieu nutritif, puis en laissant les micro-organismes s'y développer.

Il n'y a pas de conditions dans lesquelles tous les micro-organismes se développeraient, et donc souvent plusieurs méthodes différentes sont nécessaires. Par exemple, un échantillon de nourriture pourrait être analysé sur trois milieux nutritifs différents conçus pour indiquer la présence de bactéries "totales" (conditions où de nombreuses bactéries, mais pas toutes, se développent), des moisissures (conditions où la croissance des bactéries est empêchée par, par par exemple, les antibiotiques) et les bactéries coliformes (celles-ci indiquent une contamination des eaux usées).

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