025 – Observation de cellules végétales

Les cellules végétales ont été les premières cellules jamais observées par quiconque. En 1665, Robert Hooke a placé un morceau de liège sous un microscope, a constaté qu'il était divisé en de minuscules compartiments, et a emprunté le mot cellule depuis les petites pièces d'un monastère. Ce qui a rendu le liège lisible là où le tissu animal ne l'était pas est exactement ce qui fait aujourd'hui du matériel végétal un meilleur spécimen pédagogique : une paroi cellulosique rigide autour de chaque cellule trace une frontière visible, que la cellule soit colorée ou non.

Élodée, la plante aquatique, est le choix standard. Sa feuille ne fait que deux épaisseurs de cellules, de sorte qu'une feuille entière peut être montée à plat sans coupe et que la lumière la traverse directement. À l'intérieur de chaque cellule se trouvent des dizaines de chloroplastes, denses en chlorophylle et donc assez verts pour être vus sans aucune coloration, tandis qu'une seule grande vacuole centrale occupe la majeure partie du volume et presse le cytoplasme et les chloroplastes en une fine couche contre la paroi. Presque toutes les caractéristiques distinctives d'une cellule végétale — paroi, chloroplastes, vacuole, géométrie tissulaire ordonnée — sont visibles dans une seule préparation.

Le noyau constitue l'exception. Il est présent dans chaque cellule mais se révèle presque transparent et se confond facilement parmi les chloroplastes, raison pour laquelle le laboratoire utilise deux lames plutôt qu'une. La première est une préparation simple dans l'eau, montrant les cellules telles qu'elles sont. La seconde reçoit une goutte de solution de Lugol — de l'iode dans de l'iodure de potassium — qui se lie aux protéines et aux acides nucléiques et teinte le noyau d'un jaune-brun distinct. Vous allumerez l'illuminateur à fond clair, progresserez à travers les grossissements 40×, 100× et 400× en n'utilisant la vis macrométrique qu'à la plus faible puissance, enregistrerez une image à chaque étape et comparerez directement les deux lames. Lu parallèlement au laboratoire 024 sur les cellules animales, ce duo rend la différence structurelle entre les deux règnes visible plutôt qu'affirmée.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Repérez le microscope et son interrupteur, les trois objectifs utilisables, les vis macrométrique et micrométrique, la platine, le bécher, la pince, les lames, les lamelles et le papier absorbant avant de commencer.

Fonctionnement d'un microscope optique composé

• Installez un éclairage transmis (en fond clair) par le bas et expliquez pourquoi une feuille épaisse de deux cellules est un spécimen presque idéal pour cela.
• Changez les objectifs par ordre croissant — 4×, puis 10×, puis 40× — et calculez le grossissement total que chacun procure avec un oculaire de 10×.
• Utilisez uniquement la vis macrométrique au plus faible grossissement et la vis micrométrique aux plus forts, et expliquez pourquoi l'objectif à immersion dans l'huile à 100× est exclu de ce laboratoire.

Préparation d'une préparation humide

• Transférez une petite feuille à l'aide d'une pincette sans la déchirer ni la plier, inondez-la de liquide, abaissez une lamelle couvre-objet sans emprisonner d'air et épongez l'excédent pour que la lamelle soit bien à plat.
• Expliquez pourquoi la feuille doit rester entièrement humide et ce qui arrive aux cellules si la préparation sèche.

Identification des structures cellulaires végétales

• Identifiez la paroi cellulaire, les chloroplastes, la vacuole centrale et — sur la lame colorée — le noyau, et indiquez la fonction de chacun.
• Décrivez la disposition des cellules dans le tissu et reliez cette géométrie semblable à des briques à la présence d'une paroi rigide.

Utilisation d'un colorant biologique

• Comparez directement le montage à l'eau et le montage au Lugol, et précisez quelle structure le colorant permet de mettre en évidence et quelles structures étaient déjà visibles sans celui-ci.

Observation et enregistrement

• Enregistrez une image au microscope à chaque grossissement pour les deux lames, annotez la vue colorée à 400× et estimez les dimensions des cellules à partir du champ de vision connu, plutôt que de vous fier à des suppositions.

Protocole

Préparation

1. Allumez le microscope en appuyant sur l'interrupteur situé sur le devant de l'appareil. Vous allumerez ainsi le diascope, afin que la lumière transmise traverse l'échantillon par le dessous, ce qui est idéal pour les spécimens transparents.
2. Remplissez entièrement le petit bécher avec de l'eau froide du robinet.
3. Placez deux lames propres sur votre zone de travail.

Préparation de la première diapositive

1. À l'aide d'une pince à épiler, placez délicatement une petite feuille d'élodée sur la première lame.
2. Placez une goutte d'eau sur la première lame.
3. Couvrir la lame avec une lamelle.
4. Épongez doucement l'excès d'eau avec du papier absorbant.

Préparation de la deuxième diapositive

1. À l'aide d'une pince à épiler, déposez délicatement une petite feuille d'élodée sur la deuxième lame.
2. Placez une goutte de Lugol sur la deuxième lamelle.
3. Couvrir la lame avec une lamelle.
4. Épongez doucement l'excès d'eau avec du papier absorbant.

Observation de la première diapositive

1. Placez la lame sur le platine du microscope.
2. Cliquez sur le bouton « Microscope » sur la tablette pour voir l’image du microscope.
3. Vous pouvez enregistrer une image de la vue du microscope observée en cliquant sur le bouton « Enregistrer l'image « situé dans la zone inférieure gauche de la section « Microscope «.

Réglage du microscope

1. Réglez le grossissement en touchant les objectifs du microscope. Commencez l'observation à un grossissement de 40x (objectif rouge – marqué Plan 4/0.10).
2. Réglez la mise au point à l'aide des molettes de réglage grossier situées à gauche et à droite du microscope. N'utilisez les molettes de réglage grossier qu'à ce grossissement.
3. Augmentez progressivement le grossissement de 40x à 100x (objectif jaune – portant la mention « Plan 10/0,25 »), puis à 400x (objectif bleu – portant la mention « Plan 40/0,65 »), en refaisant la mise au point à chaque fois à l'aide de la molette de réglage fin uniquement. À ces grossissements, la molette de réglage grossier risque de faire entrer l'objectif en contact avec la lame.

Note : Un grossissement de 1000x (objectif à immersion – étiqueté Plan 100/1,25) nécessite l'utilisation d'huile entre l'objectif et la lamelle. Par conséquent, nous n'utilisons pas cet objectif dans ce laboratoire.

Observation de la deuxième diapositive

1. Remplacez la première diapositive par la deuxième diapositive contenant la feuille d'élodée et le lugol.
2. Observer à un grossissement de 400x (objectif bleu – étiqueté Plan 40/0,65) pour identifier un noyau cellulaire, qui devrait apparaître coloré en jaune par le Lugol.
3. Enregistrement des observations : Documentez ou enregistrez les observations importantes.

Éteindre le microscope

1. Éteignez le microscope en appuyant sur l'interrupteur situé à l'avant de l'appareil.

Résultats attendus

Une série d'images de référence illustrant les vues microscopiques attendues est disponible dans ce document (PDF).

À quoi ressemblent les cellules, et pourquoi ?

Le seul élément qui explique la quasi-totalité des observations est la paroi cellulaire. Une couche de cellulose d’une épaisseur de 0,1 à 1 µm entoure chaque cellule ; elle est suffisamment rigide pour résister à la déformation et est solidement liée à ses voisines. Les cellules ne peuvent donc pas s’arrondir, glisser les unes sur les autres ni se chevaucher : elles conservent une forme rectangulaire fixe et tapissent la feuille en rangées ordonnées. Élodée Les cellules foliaires mesurent environ 50 à 100 µm de long et 20 à 30 µm de large ; ainsi, à un grossissement de 400×, seule une poignée d'entre elles remplit le champ d'observation — ce qui est suffisamment grand pour que ce soit leur disposition, et non plus seulement chaque cellule prise isolément, qui fasse l'objet de l'étude.

La paroi explique également le rôle de la vacuole. Comme la paroi peut résister à la pression, la cellule est libre d’absorber de l’eau par osmose jusqu’à ce que son contenu exerce une pression vers l’extérieur contre la paroi, atteignant une pression de turgescence de plusieurs centaines de kilopascals. L'eau est retenue dans une grande vacuole centrale qui, dans une cellule mature, occupe 80 à 90 % du volume et repousse le cytoplasme, les chloroplastes et le noyau vers une fine couche périphérique. C’est pourquoi les chloroplastes apparaissent sous la forme d’un bord plutôt que d’un disque rempli, et pourquoi le centre de chaque cellule semble vide. Une cellule animale placée dans la même eau gonflerait et éclaterait, n’ayant pas de paroi pour résister à la pression — ce qui établit un lien direct avec le laboratoire 004 sur l’osmose.

Les chloroplastes sont visibles sans aucun colorant, car ils en contiennent déjà un. La chlorophylle absorbe fortement les longueurs d'onde rouges et bleues et laisse passer les longueurs d'onde vertes ; ainsi, chaque chloroplaste — un organite en forme de lentille d'environ 5 µm de diamètre — élimine suffisamment de lumière du faisceau pour apparaître comme un corps vert distinct. Un exemple typique Élodée Chaque cellule en contient plusieurs dizaines. Elles sont également mobiles et dérivent lentement avec le cytoplasme, ce qui constitue l'un des rares processus biologiques observables au microscope optique.

Grossissement, résolution et champ de vision

Le grossissement total est le produit du grossissement de l'objectif par celui de l'oculaire : avec l'oculaire standard 10×, M = M_obj × M_œil ce qui donne 4 × 10 = 40×, 10 × 10 = 100× et 40 × 10 = 400×. Ce qui peut réellement être séparé est déterminé par l'ouverture numérique indiquée après la puissance de chaque objectif. Selon le critère d’Abbe, d = λ / (2 × NA) ; pour la lumière verte à λ = 550 nm, l’objectif rouge donne d = 550 nm ÷ (2 × 0,10) = 2,8 µm, l’objectif jaune 1,1 µm, et le bleu 550 nm ÷ (2 × 0,65) = 0,42 µm. Un chloroplaste de 5 µm est donc résolvable par les trois objectifs, ce qui correspond à l’observation selon laquelle les granules verts sont visibles à partir de 100× ; l’objectif à huile 100× (NA 1,25), qui n’est pas pris en compte ici, permettrait d’atteindre 0,22 µm, mais uniquement avec de l’huile d’immersion pour faire passer les rayons à grand angle à travers l’espace intercellulaire.

Le champ de vision diminue proportionnellement à la puissance de l'objectif. Pour un oculaire de champ de 18 mm, le diamètre visible est de 18 ÷ 4 = 4,5 mm avec l'objectif rouge, de 1,8 mm avec l'objectif jaune et de 18 ÷ 40 = 0,45 mm, soit 450 µm, avec l'objectif bleu. Cela permet d’évaluer la taille des mailles sans réticule : un champ de 450 µm de large à un grossissement de 400×, couvert par environ six mailles bout à bout, donne à chaque maille une longueur d’environ 75 µm, ce qui se situe dans la fourchette attendue. La profondeur de champ diminue encore plus rapidement, passant de quelques dizaines de micromètres à 40× à moins d’un micromètre à 400×, ce qui explique pourquoi la molette de réglage grossier est réservée aux faibles grossissements — à 400×, l’objectif se trouve à une fraction de millimètre au-dessus de la lamelle et un mouvement grossier entraînerait un contact verre contre verre.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Concentre-toi — utiliser le microscope en toute sécurité et identifier les parties d'une cellule végétale, ainsi que le vocabulaire associé : objectif, oculaire, platine, vis macrométrique et micrométrique, préparation entre lame et lamelle, lamelle couvre-objet, colorant, paroi cellulaire, chloroplastes, vacuole, noyau.
• Activités — Préparez les deux lames, observez chacune d’elles à 40×, 100× et 400×, puis enregistrez les six images. Dessinez la vue colorée à 400× et identifiez la paroi cellulaire, un chloroplaste, la vacuole centrale et le noyau. Répondez aux questions suivantes : de quelle couleur sont les chloroplastes et pourquoi sont-ils visibles sans coloration ? Quelle structure la solution de Lugol a-t-elle mise en évidence ? Pourquoi les cellules sont-elles disposées en rangées bien ordonnées plutôt que empilées au hasard ?

11e année

• Concentre-toi — quantifier l'observation et établir un lien entre chaque structure et sa fonction.
• Activités — calculer le grossissement total de chaque objectif avec un oculaire 10× ; utiliser le champ de vision (18 mm ÷ puissance de l’objectif) pour estimer la longueur et la largeur d’une cellule ainsi que le diamètre d’un chloroplaste, puis comparer ces valeurs aux valeurs reconnues de 50 à 100 µm, 20 à 30 µm et 5 µm ; expliquer en quoi la paroi cellulaire est à l’origine à la fois de la forme rectangulaire et de la disposition en mosaïque ; expliquer pourquoi les chloroplastes forment un pourtour autour d’un centre apparemment vide, en nommant la structure responsable ; et établir un tableau comparatif côte à côte avec les cellules buccales du laboratoire 024, en répertoriant toutes les structures présentes dans l’une et absentes dans l’autre.

12e année / Niveau universitaire

• Concentre-toi — l'optique de l'instrument, la chimie physique de la turgescence et la sélectivité du colorant.
• Activités — calculer la limite d'Abbe d = λ / (2 × NA) pour les quatre objectifs, y compris l'objectif 100×/1,25 qui a été exclu, et expliquer l'effet de l'huile d'immersion sur l'ouverture numérique ainsi que la raison pour laquelle cet objectif est inutilisable sans elle ; distinguer la résolution du contraste et utiliser cette distinction pour expliquer pourquoi les chloroplastes n’ont pas besoin d’être colorés alors que le noyau en a besoin ; établir un lien entre la vacuole centrale, le potentiel hydrique et la pression de turgescence, en prédisant ce que l’on observerait après avoir monté la feuille dans une solution saline concentrée plutôt que dans de l’eau, et en nommant le résultat ; expliquer la chimie de la solution de Lugol (formation de triiodure, affinité pour les protéines et les acides nucléiques, et réaction distincte bleu-noir avec l’amidon) et prédire en quoi l’aspect après coloration différerait entre une feuille conservée à la lumière vive et une autre conservée dans l’obscurité pendant 48 heures ; et concevoir un test témoin permettant de distinguer une paroi cellulaire authentique du bord d’une bulle d’air piégée.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Microscope optique composé avec illuminateur par transmission et objectifs Plan 4/0,10, Plan 10/0,25 et Plan 40/0,65 avec un oculaire 10× — grossissements totaux de 40×, 100× et 400× (l'objectif à immersion Plan 100/1,25 n'est pas utilisé)
• 2 lames de microscope
• 2 lamelles
• Brucelles (pour manipuler les feuilles et les lamelles)
• Gouttes
• Bécher (50 mL), rempli d'eau
• Papier absorbant

Produits

• ÉlodéeÉlodée) feuilles en suspension — une petite feuille par lame
• Eau (1 goutte, première diapositive)
• Solution de Lugol 2% (1 goutte, deuxième lame)