Les instruments de l’invisible : Partie 1

•  Les microscopes optiques : quel type pour quel usage ?

De l’observation des cellules aux mystères de la matière, ces instruments de l’invisible racontent une même aventure : celle de notre regard sur le vivant.

Depuis le Moyen Âge, les premières loupes grossissantes nous permettent de distinguer des détails invisibles à l’œil nu. Au début du XVIIᵉ siècle, des artisans hollandais, Zacharias Janssen et Hans Lipperhey auraient améliorer la fabrication de lentilles. Grâce à leur travaux, nous pouvons enfin apercevoir un monde microscopique jusque-là inaccessible.

Quelques décennies plus tard, Robert Hooke et Antoni van Leeuwenhoek observent, avec une précision inédite des puces, des poux, des ailes d’insectes, mais aussi les toutes premières bactéries et cellules. Nous découvrons alors un univers fascinant, invisible à notre regard jusqu’alors.

Ces premiers chercheurs repoussent sans cesse les limites de leurs instruments, convaincus que chaque progrès nous permet d’explorer de nouveaux mondes.

Leeuwenhoek, en particulier, consacre une cinquantaine d’années à observer les bactéries et les protozoaires, et identifie également les globules rouges.

Il aurait construit plus de 500 microscopes et lentilles. L’un de ses instruments, conservé à l’Université d’Utrecht aux Pays-Bas, permet d’agrandir jusqu’à 266 fois un objet : une prouesse pour l’époque. Leurs découvertes bousculent leurs croyances.

Les progrès de la microscopie ont profondément transformé la compréhension du vivant. Les observations réalisées ont permis de réfuter les anciennes théories, telles que la génération spontanée ou celle des miasmes (mauvaises odeurs), et de révéler l’existence de micro-organismes pathogènes.

Lorsque Robert Hooke a observé la structure du liège, la forme de boîtes qu’il voyaitlui a donné l’idée d’utiliser le mot cellule en référence aux cellules des monastères.

Ces découvertes ont préparé le terrain pour les travaux de Louis Pasteur, pionnier de la vaccination, et de Robert Koch, découvreur du bacille de la tuberculose.

Ces travaux posent les fondations de la microscopie biologique. Aujourd’hui, grâce aux microscopes les plus avancés, nous pouvons explorer la vie jusque dans ses structures nanométriques. Cette avancée transforme à la fois la recherche fondamentale et les pratiques en médecine moderne

Au fil du temps, différentes technologies ont vu le jour. Chacune révèle le vivant sous un angle unique : optique, électronique, ou à sonde. Ensemble, elles dévoilent les multiples visages du monde microscopique.

Les microscopes optiques sont les plus anciens et les plus emblématiques.

Les microscopes optiques : quel type pour quel usage ?

Le microscope optique

• Principe : Le microscope optique – également appelé microscope photonique – est constitué d’un objectif qui sert à agrandir l’image de l’échantillon et d’un oculaire pour y distinguer les détails et pour les rendre visibles à l’œil humain. Il fonctionne comme deux loupes l’une derrière l’autre.

• Utilisation : Le microscope optique est largement utilisé en biologie, notamment pour l’étude des cellules, des tissus et des bactéries.

• Limites :  Le microscope se heurte à la taille de la lumière : impossible de distinguer des détails plus petits que 0.2 micromètre, comme si l’on tentait de tracer un trait fin avec un pinceau très large.

• Évolution : Cet instrument a évolué vers des versions numériques et continue de progresser, notamment grâce à l’usage de caméras ultrasensibles capables de détecter et de compter les photons.

Le microscope à contraste de phase

• Principe : Ce type de microscope permet de rendre visible des cellules vivantes sans les colorer. Il met en évidence les différences d’épaisseur ou de densité à l’intérieur de la cellule en jouant sur la vitesse de passage de la lumière.

• Utilisation : Les zones plus épaisses ou plus denses apparaissent plus sombres, et les zones fines plus claires.
  On obtient donc une image en clair-obscur, idéale pour suivre la vie et la division des cellules en temps réel.

• Limites : Il révèle la vie cellulaire, mais sans effet de relief. C’est comme observer une vie claire où l’on perçoit les imperfections qu’à la lumière. 

Fritz Zernike développe le principe du microscope à contraste de phase et tente de le faire commercialiser. Les industriels refusent sous prétexte que son idée est trop théorique et sans intérêt pratique. Aujourd’hui, il reste un des microscope indispensable en laboratoire de biologie.

Microscope à contraste interférentiel (DIC / Nomarski)

• Principe : Le microscope à contraste de phase utilise de la lumière polarisée, c’est-à-dire de la lumière “alignée” dans une seule direction. Cette lumière traverse l’échantillon et crée des interférences (cela se produit quand deux ondes lumineuses se rencontrent et se combinent) qui mettent en évidence les petites différences de forme ou d’épaisseur. Cela produit une image très nette avec un effet pseudo-3D.

• Utilisation : Il permet d’observer des cellules transparentes ou faiblement colorées et de suivre des mouvements à l’intérieur des cellules, comme la migration des vésicules ou la division cellulaire.

• Limites :  Il ne fonctionne qu’à des échantillons transparents. L’image peut devenir difficile à interpréter si les structures se superposent. C’est comme lorsque l’eau trouble les contours d’un objet. 

Le microscope à fluorescence

• Principe : Ce microscope utilise une lumière UV ou bleue pour illuminer des échantillons. Les molécules ou protéines ciblées absorbent cette lumière et réémettent une lumière d’une couleur plus visible, ce qui permet de les distinguer facilement.

• Utilisation : Cette technique est très utilisée en biologie cellulaire, immunologie, cancérologie et neurobiologie, car elle permet de repérer précisément certaines molécules ou protéines dans les cellules ou tissus.

• Limites : Le microscope illumine de couleurs vives, à la manière d’un surligneur fluorescent sous une lampe UV. Mais, l’exposition prolongée sous cette lumière peut endommager les cellules vivantes. 

Le microscope confocal ou monofocal

• Principe : Le microscope confocal à balayage laser utilise un laser pour illuminer un point précis de l’échantillon. La lumière passe par un sténopé (un petit trou qui laisse passer la lumière en ligne droite), ce qui permet de ne garder que la lumière provenant exactement du point visé. L’échantillon est ensuite scanné point par point, et toutes ces informations sont recombinées pour créer une image nette. Cela permet d’obtenir des images 3D très précises, même dans des tissus épais.

• Utilisation :
  • Étude des tissus épais en histologie.
  • Imagerie 3D de cellules et tissus en neurosciences.
  • Analyse détaillée de la structure et de l’organisation des cellules.

• Limites : L’acquisition des images est relativement lente, car le balayage se fait point par point. Le microscope est coûteux. Ce serait comme un scanner pour le corps entier, mais cellule par cellule

Le microscope à feuille de lumière

• Principe : Ce microscope éclaire un plan entier de l’échantillon à l’aide d’une fine feuille de lumière. Contrairement aux autres microscopes qui éclairent point par point, celui-ci illumine toute une zone en une seule fois. Cela permet d’obtenir des images 3D rapides tout en préservant les organismes vivants, car la lumière utilisée est douce et n’endommage pas les cellules.

• Utilisation : Il est particulièrement utile pour observer en temps réel des organismes vivants entiers (comme des embryons ou de petits animaux), et pour suivre leur développement sur de longues périodes sans les abîmer.

• Limites : La mise en place de ce  microscope est complexe, et la résolution est un peu moins précise que celle du microscope confocal. Il éclaire tout un pan en une seule fois pour préserver les cellules vivantes. C’est comme balayer un aquarium avec un ruban lumineux pour voir tous les poissons dans un plan sans les éblouir.

Les microscopes optiques ont ouvert une première fenêtre sur le monde invisible, leurs performances restent limitées par la nature même de la lumière. Les scientifiques ont remplacé les photons par des électrons, dont la longueur d’onde est bien plus courte. C’est la naissance de la microscopie électronique, une révolution qui permet de franchir la barrière du nanomètre et de révéler les structures les plus intimes de la matière. Grâce à ces instruments, nous pouvons aujourd’hui observer l’organisation fine des cellules, des virus, et même des atomes.