Le microscope électronique et la lecture d'une image

Les images de cellules de tes manuels, avec leurs mitochondries plissées et leur réticulum en feuillets, viennent presque toutes du microscope électronique. Elles impressionnent, mais elles se lisent mal quand on n'a pas de méthode. Tu vas voir comment ces images sont faites, ce qu'elles montrent et ce qu'elles cachent, puis comment la fluorescence fait briller une seule cible. Tu vas aussi apprendre à calculer la taille réelle d'une structure à partir de la barre d'échelle, un calcul qui revient dans presque tous les examens de biologie cellulaire.

Pour voir plus fin que 0,2 micromètre, il faudrait une lumière plus fine. Les physiciens des années 1930 l'ont trouvée : un faisceau d'électrons accélérés, que des bobines magnétiques concentrent comme le feraient des lentilles. On distingue alors des détails de quelques nanomètres dans une cellule. Mais chaque avantage se paie, et les contraintes s'enchaînent. L'air dévierait les électrons : on travaille donc dans le vide. Dans ce vide, l'eau de la cellule s'évaporerait d'un coup : on la retire avant, en la remplaçant par de l'alcool puis par une résine. Les membranes arrêtent à peine les électrons : on les imprègne de sels d'osmium ou d'uranium pour qu'elles se détachent en sombre. Au bout de cette chaîne, la cellule est morte depuis longtemps. Et l'image est en noir et blanc : les couleurs que tu vois parfois dans les magazines ont été ajoutées après, à l'ordinateur.

Les deux grandes familles ne répondent pas à la même question. Le microscope à transmission travaille comme une radiographie d'une tranche : les électrons traversent une coupe ultrafine, bien plus mince qu'une cellule, et l'image montre ce qu'il y a dedans, le noyau, les membranes, les mitochondries. Le microscope à balayage ressemble plutôt à une lampe torche promenée sur un relief : le faisceau parcourt un échantillon entier, couvert d'une pellicule d'or, et l'image rend les volumes, comme une photo de paysage. C'est lui qui montre les cils d'une cellule des bronches ou la forme en faucille d'un globule rouge. Une troisième technique, la cryomicroscopie électronique, congèle des molécules en solution si vite que l'eau n'a pas le temps de former des cristaux. Le Suisse Jacques Dubochet, qui a mis au point cette congélation, a partagé le prix Nobel de chimie 2017.

Un troisième outil a changé la biologie cellulaire : le microscope à fluorescence. On fixe sur une protéine précise, ou sur l'ADN, une molécule qui absorbe une lumière d'une couleur et en renvoie une autre. Sur un fond noir, seule la cible brille. On peut ainsi faire briller en vert les mitochondries et en bleu le noyau, parfois dans des cellules encore vivantes. La résolution reste en principe celle de la lumière, environ 0,2 micromètre, mais des techniques dites de super-résolution descendent bien plus bas : elles ont valu le prix Nobel de chimie 2014. Tu les retrouveras au module 5, pour observer le cytosquelette.

Face à une image, ne cherche pas tout de suite les mitochondries. Procède comme avec une carte routière. D'abord l'échelle : repère la barre et sa valeur. Ensuite les frontières : où est la membrane plasmique, y a-t-il une paroi épaisse autour ? Puis les grands repères : le noyau, souvent le plus gros objet arrondi, et une éventuelle vacuole claire. Enfin les détails : des ovales à crêtes internes pour les mitochondries, des feuillets parallèles couverts de grains pour le réticulum rugueux. Annote au crayon, avec des traits fins, et écris en marge la raison de chaque identification.

Voici le calcul à maîtriser. Si l'image indique un grandissement, la taille réelle est la taille mesurée sur l'image divisée par ce grandissement. Mais la plupart des images portent plutôt une barre d'échelle. Mesure la barre avec une règle : par exemple deux centimètres pour cinq micromètres. Mesure ensuite la cellule : six centimètres. Fais une règle de trois : six fois cinq, divisé par deux, donne quinze micromètres. Vérifie toujours que le résultat est plausible. Une cellule animale de quinze micromètres, c'est normal. Une mitochondrie de quinze micromètres serait suspecte : recommence alors ta mesure.

Une image de transmission est une tranche, pas la cellule entière. Pense à une mangue coupée : selon l'endroit où passe le couteau, le noyau paraît grand, petit ou absent. Une même mitochondrie, coupée en long, paraît en bâtonnet ; coupée en travers, elle paraît ronde. La préparation peut aussi créer des artefacts : des trous, des plis, des membranes décollées qui n'existaient pas dans la cellule vivante. C'est pourquoi un biologiste compare plusieurs images et plusieurs techniques avant de conclure. Si tu vois une structure étrange sur une seule photo, ne bâtis pas toute ta conclusion dessus.

Le microscope électronique voit beaucoup plus fin que le microscope optique, mais seulement des échantillons morts, préparés et observés dans le vide. La transmission montre l'intérieur sur une coupe ultrafine, le balayage montre la surface en relief. Le microscope à fluorescence, lui, fait briller une cible choisie, parfois dans une cellule vivante. Pour lire une image, suis toujours le même ordre : l'échelle, les frontières, les grands repères, puis les détails. Pour la taille réelle, une règle de trois avec la barre d'échelle suffit, à condition de vérifier que le résultat est plausible. Dans la dernière leçon de ce module, tu compares les grands types de cellules.