Exercices: L'observation au microscope

Sur le schéma du microscope optique, trois parties sont signalées par un « ? ». Écrire le nom de chacune et expliquer sa fonction.

Ranger dans l'ordre les étapes de préparation d'un échantillon de cellules d'oignon : (a) recouvrir avec la lamelle en veillant à ne pas laisser de bulles, (b) placer une fine couche d'oignon sur la lame, (c) ajouter une goutte de lugol pour colorer, (d) retirer l'excès de liquide avec du papier filtre.

Pourquoi colore-t-on de nombreux échantillons avant de les observer au microscope ? Donner un exemple de colorant utilisé dans le laboratoire du collège.

Nommer les deux parties du microscope qui contiennent des lentilles et expliquer par où l'on regarde et où l'on place l'échantillon.

Expliquer ce que sont la lame et la lamelle et à quoi sert chacune lors de la préparation d'un échantillon.

Décrire comment il faut transporter un microscope du placard à la table de travail pour ne pas l'abîmer : quelles parties on saisit et avec combien de mains.

Que faut-il faire à la fin d'une séance de microscopie ? Ordonner et expliquer ces tâches : éteindre la lumière, nettoyer les lentilles avec le papier spécial, retirer et jeter l'échantillon, ranger le microscope et se laver les mains.

Pour observer quelque chose au microscope optique, il faut le découper en lames très fines. Expliquer pourquoi l'échantillon doit laisser passer la lumière et ce qui se passe s'il est trop épais.

Un microscope a un oculaire de $10\times$ et des objectifs de $4\times$, $10\times$ et $40\times$. Calculer le grossissement total obtenu avec chaque objectif et expliquer avec lequel il faut toujours commencer l'observation et pourquoi.

En observant un échantillon, l'image est très sombre et l'on n'aperçoit qu'un fragment de la préparation. Indiquer deux causes possibles de chaque problème et ce que vous feriez pour les corriger sans changer d'objectif.

Pourquoi faut-il d'abord faire la mise au point avec l'objectif de plus faible grossissement et réserver la vis micrométrique aux objectifs plus forts ? Expliquer ce qui peut arriver si l'on utilise la vis macrométrique avec l'objectif de $40\times$.

Un microscope a un oculaire de $10\times$ et un objectif de $20\times$. Calculer le grossissement total. Si vous passez à un objectif de $40\times$, expliquer ce qui se passe pour la taille de l'image, pour la zone de l'échantillon que vous parvenez à voir et pour la quantité de lumière.

L'image du microscope est inversée. Si vous poussez délicatement la préparation vers la droite tout en regardant, expliquer vers où l'image semblera se déplacer dans l'oculaire et quelle conséquence pratique cela a lorsque vous suivez un micro-organisme en déplacement.

Vous avez fait la mise au point sur une cellule avec l'objectif de $10\times$ et vous passez à celui de $40\times$ : l'image devient un peu floue et plus sombre. Expliquer quelle vis vous devez utiliser pour refaire la mise au point (et laquelle vous ne devez pas toucher) et quel réglage de l'éclairage peut améliorer l'image.

Décrire comment vous prépareriez un échantillon humide d'un cheveu ou d'une fibre de votre pull pour l'observer au microscope : quel matériel vous utiliseriez et dans quel ordre vous procéderiez. Quelle différence y a-t-il entre cette préparation improvisée et une préparation permanente de laboratoire ?

Nommer trois règles de sécurité pour le travail avec des échantillons biologiques et des colorants dans le laboratoire du collège et expliquer la raison de chacune.

Avec l'objectif $10\times$ (grossissement total $100\times$), le champ d'observation mesure environ $1{,}5\ \text{mm}$ de diamètre. Si une cellule d'oignon mesure environ $0{,}25\ \text{mm}$ de long, estimer combien de cellules alignées pourraient tenir dans la largeur du champ et expliquer ce qu'il adviendra du diamètre du champ en passant à l'objectif $40\times$.

Une équipe de chercheurs veut filmer en temps réel un protozoaire unicellulaire qui nage et capture des bactéries dans une goutte d'eau stagnante et, en même temps, photographier dans les moindres détails la structure interne des virus qui infectent ces bactéries. Un élève propose d'utiliser uniquement un microscope électronique à transmission pour atteindre les deux objectifs. Évaluer sa proposition en argumentant : expliquer pourquoi il n'est pas possible d'observer le protozoaire vivant avec cet appareil et déterminer quel microscope utiliser dans chaque cas, en justifiant.

Lors du TP d'observation de cellules de l'épithélium buccal colorées au bleu de méthylène, un groupe ne distingue que des taches bleues sans forme. Proposer au moins trois erreurs possibles lors de la préparation de l'échantillon et expliquer comment refaire le TP pour qu'il réussisse.

Un camarade observe une préparation au microscope à $400\times$. Le champ d'observation avec cet objectif mesure $0{,}4\ \text{mm}$ de diamètre et la cellule observée occupe environ la moitié de ce diamètre. Votre camarade affirme : « Comme le microscope grossit $400$ fois et que la cellule occupe $0{,}2\ \text{mm}$, sa taille réelle doit être $0{,}2 \times 400 = 80\ \text{mm}$, elle mesure presque huit centimètres ! ».\na) Identifier l'erreur de raisonnement conceptuelle et expliquer la différence entre la taille réelle et la taille apparente agrandie.\nb) Calculer la taille réelle correcte de la cellule en millimètres et en micromètres ($1\ \text{mm} = 1\,000\ \mu\text{m}$).\nc) Si l'on plaçait des cellules identiques les unes derrière les autres en file, combien pourraient tenir sur un centimètre d'une règle ?

Vous voulez vérifier si les cellules de la zone de croissance d'une racine d'oignon sont plus petites que celles du bulbe. Concevoir le TP : quelles deux préparations réaliser, comment estimer la taille des cellules à l'aide du champ d'observation, quel tableau de données utiliser et combien de cellules mesurer pour que la comparaison soit fiable.

Lorsqu'on observe la lettre « e » découpée dans un journal, elle apparaît au microscope tournée de 180° (à l'envers et inversée). Prévoir comment apparaîtra la lettre « p » avant de l'observer, expliquer pourquoi cette inversion se produit et décrire comment vérifier votre prévision.

Analyser les données suivantes sur la limite de résolution (la distance minimale pour distinguer deux points séparés) de trois instruments :\n• Œil humain : $0{,}1\ \text{mm}$ ($100\ \mu\text{m}$).\n• Microscope optique composé : $0{,}2\ \mu\text{m}$.\n• Microscope électronique : $0{,}0002\ \mu\text{m}$.\n\nVous disposez de quatre échantillons biologiques :\n1. Une cellule végétale d'oignon ($100\ \mu\text{m}$).\n2. Une bactérie ($2\ \mu\text{m}$).\n3. Un virus de la grippe ($0{,}1\ \mu\text{m}$).\n4. La membrane plasmique d'une cellule ($0{,}008\ \mu\text{m}$).\n\na) Déduire quel instrument est au minimum nécessaire pour distinguer chacun des quatre échantillons.\nb) Justifier, à partir de ces données, pourquoi aux XVIIe et XVIIIe siècles on a déjà pu observer des cellules et des bactéries, alors que l'existence et la structure des virus n'ont pu être démontrées qu'avec l'invention du microscope électronique au XXe siècle.

Sur un site de vente en ligne, on propose un « Microscope optique scolaire avec un grossissement allant jusqu'à $50\,000\times$ permettant d'observer virus et molécules pour seulement 30 € ».\na) En utilisant l'analogie de l'agrandissement d'une photographie numérique de faible résolution (où l'on obtient seulement des pixels plus gros, mais aucun détail nouveau), réfuter cette annonce en montrant qu'elle est trompeuse et prévoir ce que l'on verrait réellement en essayant de forcer un tel grossissement avec de la lumière visible.\nb) Expliquer quel changement physique fondamental apporte le microscope électronique par rapport au microscope optique pour dépasser cette limite et montrer nettement des structures de quelques nanomètres.

Défi du thème. Imaginez que vous collaborez avec le musée des sciences de votre région pour concevoir une fiche de vulgarisation sur la vie microscopique à la maison.

1. Recherche d'échantillons réels : Accéder à la banque d'images libres de droits du réseau Canopé ou à la photothèque du CNRS. Télécharger deux micrographies réelles : une bactérie (Lactobacillus du yaourt) et une cellule végétale (épiderme d'oignon). Noter le grossissement et l'échelle indiquée.

2. Mesure et analyse : Mesurer avec votre règle la cellule sur la photo et, en appliquant l'échelle graphique, calculer sa taille réelle en micromètres ($1\text{ }\mu\text{m} = 0{,}001\text{ mm}$). Élaborer un tableau comparatif où figurent : les dimensions réelles calculées (ex. $1{,}8\text{ }\mu\text{m}$ contre $120{,}5\text{ }\mu\text{m}$), le type cellulaire (procaryote ou eucaryote) et la présence ou l'absence de noyau visible, de paroi cellulaire et de cytoplasme.

3. Compte rendu final : Rédiger une proposition argumentée ($1$ page maximum) expliquant pourquoi la cellule est l'unité du vivant chez les deux organismes, pourquoi ils diffèrent au microscope et quels avantages offre cet instrument pour les étudier.

Seront évalués :

• L'identification et la classification rigoureuses des structures cellulaires procaryotes et eucaryotes.

• L'exactitude du calcul de la taille réelle de la cellule à partir de l'échelle du microscope.

• La clarté conceptuelle pour justifier que la cellule est l'unité fonctionnelle et structurale des êtres vivants.