Taille des cellules et microscopes

Un globule rouge mesure environ 8 µm de diamètre : environ 250 globules tiendraient en ligne sur une tête d'épingle de 2 mm.

Mesurer ce que l'on ne voit pas

Les règles s'arrêtent aux millimètres, et les cellules sont bien plus petites. Les biologistes utilisent le micromètre (µm), un millième de millimètre, et le nanomètre (nm), un millième de micromètre. Donc 1 mm = 1000 µm et 1 µm = 1000 nm. Un globule rouge humain typique mesure environ 8 µm de diamètre, et une tête d'épingle environ 2 mm. Divise 2000 µm par 8 µm et tu obtiens 250 : c'est le nombre de globules rouges qui pourraient s'aligner sur une tête d'épingle.

Les cellules varient beaucoup. Les bactéries et les autres cellules procaryotes mesurent environ 0.1 à 5.0 µm. La plupart des cellules eucaryotes, celles qui forment les plantes et les animaux, mesurent environ 10 à 100 µm. À l'intérieur, un noyau fait environ 5 µm de diamètre et une mitochondrie mesure en général 1 à 2 µm de long. Un ribosome ne fait que 20 à 30 nm, bien en dessous de ce qu'un microscope de classe peut montrer. Les plus petits objets visibles à l'œil nu mesurent environ 0.1 mm : quelques très grandes cellules, comme l'ovule humain, sont donc juste à la limite de ce que l'on voit sans lentille.

Les microscopes optiques

La plupart des microscopes scolaires sont des microscopes optiques. La lumière visible traverse l'échantillon, puis deux ensembles de lentilles. Les microscopes d'élève grossissent en général jusqu'à environ 400 fois, et avec un objectif à immersion dans l'huile environ 1000 fois. Le grossissement ne suffit pourtant pas. Ce qui compte tout autant, c'est le pouvoir de résolution, la capacité à montrer comme deux points distincts deux points très proches. Un bon microscope optique d'élève sépare des détails d'environ 200 nm. Deux structures plus proches que cela se fondent en une seule, quelle que soit la taille de l'image.

Les microscopes optiques ont un gros avantage : on peut observer des cellules vivantes. La plupart des cellules sont presque transparentes, si bien que leurs parties sont difficiles à distinguer sans coloration, et la coloration tue en général les cellules. Le système à deux lentilles retourne aussi l'image. Une lame déplacée vers la gauche semble aller vers la droite, et une lettre « e » posée sur la lame apparaît à l'envers.

Les microscopes électroniques

Les microscopes électroniques utilisent un faisceau d'électrons au lieu de la lumière. Les électrons ont une longueur d'onde bien plus courte que la lumière : ces instruments atteignent des grossissements d'environ 100 000 fois et distinguent des détails jusqu'à environ 50 picomètres. En contrepartie, les électrons ne se déplacent bien que dans le vide et la préparation tue l'échantillon : on ne peut donc pas observer une cellule vivante de cette façon. Un microscope électronique à balayage promène le faisceau sur une surface et en montre la forme. Un microscope électronique à transmission envoie le faisceau à travers une coupe fine et montre les parties internes. C'est ainsi que les organites des chapitres suivants ont été vus en détail pour la première fois.

Pourquoi les cellules restent petites

Pourquoi pas une seule cellule géante ? Tout ce qu'utilise une cellule entre par sa surface, et tout ce qu'elle rejette sort par le même chemin. Imagine une cellule en forme de cube de 1 mm de côté. Sa surface vaut 6 mm² et son volume 1 mm³, soit un rapport de 6 pour 1. Double le côté pour arriver à 2 mm : la surface passe à 24 mm² et le volume à 8 mm³, un rapport de seulement 3 pour 1. Quand une cellule grandit, son volume augmente plus vite que sa surface, et chaque morceau de membrane doit nourrir plus de cellule. Au-delà d'une certaine taille, la membrane ne suit plus. Les cellules s'en sortent en se divisant, en devenant plates ou longues et fines, en repliant leur membrane ou en répartissant le travail entre des organites.