" Il n'y a pas de fonction sans anatomie ». Camillo Golgi, prix Nobel de médecine en 1906, écrivait ceci à la fin du XIXe siècle à propos de ses études sur les cellules nerveuses centrales et périphériques. En d'autres termes, la fonction remodèle la forme des cellules, et donc les observations microscopiques deviennent essentielles pour comprendre ses mécanismes physiologiques.
Ce n'est pas un hasard si la première personne qui a compris que les nerfs étaient constitués d'un ensemble de câbles et ne représentaient pas une sorte de canal avec une substance molle à l'intérieur, comme dans le cas des vaisseaux sanguins, était Anton Van Leeuwenhoek en 1715.
Leeuwenhoek et le microscope
le coin du lion, opticien et naturaliste néerlandais, est reconnu comme l'inventeur du microscope optique ; donc, celui qui fut le premier à observer, avec acuité et précision, certains phénomènes naturels tels que la circulation des globules rouges dans les capillaires, l'existence de cellules germinales mâles, la première identification exacte de la structure lamellaire de la lentille, la découverte de protozoaires et de bactéries appelées « petits animaux ». Évidemment, ce n'était pas seulement la disponibilité des meilleures lentilles optiques de l'époque, qu'il fabriquait également lui-même.
C'est ainsi que Leeuwenhoek écrit dans une lettre à la Royal Society de Londres en 1692, répondant aux critiques de certains de ses contemporains :
Je sais bien, Honorables Messieurs, que les rapports que je rédige et que je vous envoie de temps à autre ne s'accordent pas toujours entre eux, et qu'on peut y trouver des contradictions ; par quoi je veux dire une fois de plus que j'ai l'habitude de m'en tenir aux données dont je dispose jusqu'à ce que je sois mieux informé ou que mes observations me conduisent ailleurs ; et je n'aurai jamais honte de changer de méthode.
C'est ainsi qu'est née la microscopie moderne, c'est-à-dire l'étude de la nature en petites quantités, qui constitue encore aujourd'hui l'un des principaux moyens d'investigation de la recherche scientifique moderne. Mais pour mieux comprendre la naissance et l'évolution de cette science, il faut se référer aux nombreuses intuitions et découvertes qui depuis les premières tentatives dans l'Antiquité ont façonné le développement de cette discipline jusqu'aux étonnantes observations de la science moderne.
La lumière dans la tradition hellénique et islamique
Bien que le microscope soit une invention relativement récente, l'étude des phénomènes lumineux a intéressé bon nombre des grands esprits de l'Antiquité et a donné lieu à des débats entre différentes écoles de pensée ; On le doit déjà à de grands penseurs comme Aristote, ou Euclide, qui ont vécu entre le IVe et le IIIe siècle avant J.-C., dont la première formalisation dont nous avons écrit la preuve du concept de vision et de rayons lumineux. Déjà au IIIe siècle av. C. l'utilisation des célèbres miroirs brûlants d'Archimède est devenue célèbre pendant la Seconde Guerre punique, bien qu'elle n'ait pas encore été prouvée historiquement.
Rome
Les exemples les plus documentés à cet égard sont ceux qui viennent du monde romain. En effet, l'utilisation que les anciens Romains faisaient de sphères de verre plus ou moins aplaties pour concentrer les rayons du soleil et obtenir du feu est largement accréditée depuis longtemps. La technologie des lentilles semble être encore plus ancienne que la civilisation romaine, comme en témoignent les découvertes de Knossos, qui remontent à l'âge du bronze, une période comprise entre 3500 et 1200 av. c.
Pompéi
En plus des prismes de cristal d'une précision et d'une régularité extraordinaires (utilisés pour briser la lumière dans les couleurs du spectre), ils proviennent également des fouilles de Pompéi antique petits vaisseaux ronds, légèrement convexes, capables de fournir une image nette et agrandie. Malheureusement, il n'y a presque pas de sources littéraires qui parlent de ces objets comme des outils de vision. Il a été transmis par Pline l'Ancien lorsque l'empereur Néron, peut-être myope, regardait les combats de gladiateurs en les regardant à travers une grosse émeraude polie.
Ottica et Catoptrica
Revenant à Euclide, notons qu'il est l'auteur des célèbres cinq postulats de géométrie qui contiennent les notions de point, de droite et de plan ; Ces concepts fondamentaux se sont réunis dans l'œuvre Ottica et Catoptrica où sont contenus des éléments de perspective, étude de la réflexion dans les miroirs plans et sphériques et, pour la première fois, le concept de rayon visuel sans structure physique est défini. Cela permet à Euclide d'étendre la méthode typique des démonstrations géométriques au domaine des phénomènes lumineux.
La nature de ces axiomes est cependant fortement conditionnée par l'idée que la vision s'effectue par des rayons émis par l'œil : la théorie extromisive de la lumière. Pour arriver à une théorie plus avancée de la vision, il a fallu attendre le Xe siècle, avec les théories des Arabes Alhazen (965-1039). Selon Alhazen, l'oeil ne peut "sentir" l'objet qu'au moyen de rayons qui vous envoie avec une vitesse finie ; la lumière doit avoir une réelle existence car lorsqu'elle est très intense elle peut abîmer les yeux et générer des images secondaires.
L'invention du microscope
Il faudra attendre l'époque baroque pour voir naître le véritable microscope précurseur des modernes. Le 1609ème siècle est une période féconde dans de nombreux pays pour la science en général, en fait il faut dire qu'elle a vu une véritable révolution scientifique avec Bacon, Boyle, Copernic, Leibniz et bien d'autres. Cependant, il faut dire que dans l'histoire de la microscopie il n'y a pas de date exceptionnelle comparable à XNUMX, l'année où Galileo Galilei (1564-1642) a été réalisée avec une lunette rudimentaire.
fabricants de draps et microscopes
De plus, ce n'est pas un hasard si les Pays-Bas ont été le berceau d'un instrument tel que le microscope, puisqu'au XVIIe siècle ce pays représentait un carrefour commercial important pour le secteur textile et, en même temps, pour la production de céramique et de majolique. . De ces derniers ateliers, peut-être en tant que produit secondaire du processus de fabrication, provenaient selon toute vraisemblance les gouttes de verre en fusion qui les producteurs de tissus servent de petites loupes pour mieux contrôler la texture pendant la phase de production. Ce fut la première utilisation qu'Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), initialement gérant d'un magasin de tissus, fit de billes de verre solidifiées ; plus tard, probablement suite à son intérêt pour les sciences naturelles auxquelles il était naturellement enclin.
Par conséquent, le microscope de Van Leeuwenhoek peut être considéré comme le premier microscope, puisqu'il a été spécialement conçu et optimisé pour une utilisation à des fins de recherche scientifique. Sans surprise, il a été cité à l'époque comme le brillant chercheur qui
[…] a conçu des microscopes qui dépassent de loin ceux vus jusqu'à présent…
En fait, le microscope de Leeuwenhoek se compose d'une seule lentille montée sur un support métallique équipé d'un porte-échantillon spécial avec mise au point réglable au moyen d'un mécanisme à vis, et prévoit l'utilisation d'un éclairage artificiel. Ces éléments, en plus de constituer, à partir de ce moment, les bases de tout microscope optique, supposent une méthodologie pour l'étude des phénomènes naturels avec une saveur déjà moderne.
Arcanes Nature
Leeuwenhoek était couvert de reconnaissance officielle, son laboratoire était visité par des universitaires et des personnalités politiques du monde entier (la fameuse visite du tsar Pierre le Grand de Russie). Leeuwenhoek est décédé à l'âge de 91 ans, le 26 août 1723, après avoir vu l'édition latine du recueil complet de ses nombreuses lettres et rapports, publiée en 1722 sous le titre d'"Arcana Naturae".
Les efforts des érudits des siècles suivants seront entièrement consacrés à la construction de microscopes plus puissants et à la systématisation, la classification et la quantification du micromonde nouvellement découvert. En ce sens, l'apport de l'Anglais Robert Hooke (1635-1703) est fondamental, plus connu pour ses études sur l'élasticité que pour celles de la microscopie optique. Hooke, un érudit complet, a apporté des améliorations au microscope, l'équipant de nouveaux systèmes optiques et d'un nouveau système d'éclairage. Cela lui a permis de faire une série de découvertes, comme les cavités dans le liège, séparées par des parois, qu'il a appelées les cellules. En polémique avec Isaac Newton, probablement le plus grand scientifique de l'époque, il soutient l'idée d'une théorie ondulatoire de la lumière par opposition à la théorie corpusculaire.
L'évolution de la microscopie entre les XIXe et XXe siècles : du microscope optique au microscope électronique
Les améliorations apportées progressivement aux microscopes composés construits au XVIIIe siècle concernaient essentiellement la structure mécanique. Bien que certains progrès aient été réalisés dans le techniques de fabrication des verres, les performances optiques étaient encore médiocres. Cela était dû à la fois à la qualité du verre et à deux graves défauts des lentilles : l'aberration sphérique et l'aberration chromatique, qui produisaient des images floues et irisées.
De plus, chaque amélioration a toujours et uniquement eu lieu sur une base empirique et donc C'étaient des produits artisanaux.. Pour être corrigées, ces aberrations nécessitent le couplage de plusieurs lentilles et, par conséquent, ce n'est qu'au milieu du XIXe siècle que de tels systèmes ont pu être réalisés.
Ernst Abbé
À partir de ce moment, études théoriques et progrès technologique vont de pair. La figure la plus représentative de cette période est l'Allemand Ernst Abbe (1840-1905), qui transformé le microscope d'un instrument qualitatif à un instrument quantitatif; bon nombre des principes sur lesquels repose la technologie moderne de l'optique et des lentilles de microscope en général lui sont dus; Abbe a collaboré avec Carl Zeiss (1816-1888) dans les célèbres ateliers d'optique d'Iéna.
Il en déduit l'expression qui porte son nom (numéro d'Abbe) pour caractériser le pouvoir dispersif du verre et relie la résolution d'un objectif de microscope en fonction de son ouverture numérique. bon nombre des principes sur lesquels repose la technologie moderne de l'optique et des lentilles de microscope en général lui sont dus. Abbe a collaboré avec Carl Zeiss (1816-1888) dans les célèbres ateliers d'optique d'Iéna.
Août Kohler
À partir de 1900, August Kohler (1866-1948) a également travaillé à Iéna, qui s'est occupé de la microphotographie et a perfectionné un système d'éclairage désormais universellement adopté pour les microscopes; A la fin du XIXe siècle, d'excellents instruments droits et inversés existaient déjà sur le marché.
En 1903, Richard Zsigmondy (1865-1929) a mis au point ce qu'on appelle l'ultramicroscope, qui permet l'étude de particules colloïdales de dimensions inférieures à la longueur d'onde de la lumière ; et dans les décennies qui suivirent, le rythme ne ralentit pas : de nouvelles techniques telles que le contraste de phase, les méthodes d'interférence et la microscopie par réflexion Ils ont ouvert de nouveaux champs d'application tandis que d'autres techniques bien connues ont été perfectionnées, telles que la fluorescence, l'interférence de contraste et la polarisation. radiation.
microscopie électronique
Déjà dans les années 30, avec la définition des particules élémentaires comme l'électron et l'introduction du dualisme onde/particule pour expliquer leur comportement, les temps étaient mûrs car les limites de la résolution spatiale des microscopes optiques, imposées par la longueur d'onde de la lumière , pourrait être dépassé dans le cadre d'une toute nouvelle perspective : la microscopie électronique. Le premier microscope électronique a été construit en 1933 par les physiciens allemands Ernst Ruska (1906-1988) et Max Knoll (1897-1969). Ruska lui-même, bien des années plus tard, qualifiera cette époque de période fructueuse d'études et de recherches :
Après son diplôme (1931), la situation économique en Allemagne était devenue très difficile et il ne semblait pas possible de trouver un poste satisfaisant à l'université ou dans l'industrie. J'ai donc eu le plaisir de pouvoir poursuivre gratuitement mon activité de doctorant à l'Institut Haute Tension… » .
Fin du XXe siècle et microscopie à sonde à balayage
C'est encore la systématisation progressive des lois de la mécanique quantique qui suggère de nouvelles solutions pour investiguer de plus en plus en détail le monde microscopique, allant même jusqu'à révéler sa nature intime, c'est-à-dire molécules et atomes. Contrairement à ce qui s'est passé auparavant, dans les années 1980, de grandes idées ont été développées dans des contextes déjà ouverts intellectuellement et, ce qui n'est pas trop mal, suffisamment dotés en ressources humaines, technologiques et économiques.
Georges Gamow
C'est à partir de l'idée de George Gamow (déjà découvreur du rayonnement dit de fond cosmique) de l'existence de l'effet tunnel, formulée en 1928, que deux physiciens allemands, Gerd Binnig (1947) et Heinrich Rohrer (1933- 2013) a conçu en 1981, alors qu'il travaillait dans les laboratoires de recherche IBM à Zurich, le premier microscope à effet tunnel.
Ce microscope utilise une sonde à aiguille fine pour détecter un faible courant électrique entre la sonde et la surface de l'échantillon étudié, qui peut être étudié à une résolution théoriquement inférieure à la taille des atomes et des molécules. Cette découverte a valu à ses découvreurs le prix Nobel de physique en 1986. Il est tout à fait remarquable que le prix ait également été décerné, assez tardivement, à Enrst Ruska. "Pour son travail fondamental en optique électronique et pour la conception du premier microscope électronique".
microscopie à balayage
Dans le même contexte, mais basé sur la force électrique exercée par les atomes d'une surface sur une petite sonde placée à proximité, le Microscope à Force Atomique a été inventé (1982) (avec la collaboration de Binning lui-même), dont la création repose sur la contribution conjointe d'autres chercheurs, dont Calvin Quate (1923-2019) et Christoph Gerber (1942). Ce microscope a permis d'étendre l'application de microscopie à sonde à balayage à une large catégorie d'échantillons, y compris biologiques.
De par son large éventail de variantes et d'applications, cette technique est aujourd'hui, selon toute vraisemblance, la plus polyvalente pour l'étude des surfaces dans le domaine des nanotechnologies. Aujourd'hui, en effet, les microscopies visent à obtenir des informations de plus en plus complètes sur la nature des surfaces et les microscopes modernes intègrent, dans un même instrument, différentes techniques pour s'adapter à l'étude d'échantillons de nature différente.
De la renaissance de l'optique au nanoscope
Le développement des sources laser qui a eu lieu dans la seconde moitié du XXe siècle a représenté un nouveau développement d'un domaine optique plus classique, en fait on peut dire qu'il a constitué la découverte la plus importante en optique après celle des rayons X. caractéristiques de la lumière laser (cohérence extrême, haute intensité et longueur d'onde unique) permettent éviter les phénomènes d'aberrations et de diffractions caractéristique de la lumière produite par les lampes à incandescence traditionnelles.
En 1955, à l'occasion de sa thèse de doctorat en mathématiques, Marvin Lee Minsky (1927-2016), l'un des fondateurs de l'intelligence artificielle, théorise sur le microscope confocal, un instrument optique à la résolution et à la qualité d'image sans précédent pour l'époque. Comme il le dit lui-même :
En 1956, j'ai breveté mon microscope confocal, mais le brevet a expiré avant que quelqu'un n'en construise un deuxième. Nous n'avons même pas pris la peine de breveter l'écran ou le logo, pensant qu'il s'agissait d'inventions totalement évidentes. Il semble que l'évidence n'est pas pertinente pour le brevet.
microscope confocal
Un microscope confocal diffère structurellement du microscope à fluorescence traditionnel par l'utilisation de la source laser mais surtout par la présence d'un diaphragme le long du chemin optique qui permet d'exclure le signal provenant des parties au-dessus et au-dessous du foyer de l'échantillon, ainsi fournir une image pour la première fois avec informations tridimensionnelles. En réalité, le microscope confocal n'entre dans les laboratoires qu'à la fin des années 80 lorsque les technologies laser et informatique deviennent relativement accessibles et suffisamment puissantes. C'est actuellement un outil fondamental dans la recherche scientifique biomédicale.
Le microscope confocal représente, pour le domaine de l'optique, non pas un objectif technologique mais un point de départ pour l'éclosion de nouvelles techniques de recherche basées sur la technologie laser et la utilisation de nouveaux marqueurs fluorescents, comme la microscopie TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), l'imagerie des cellules vivantes, la microscopie spectrale confocale, l'utilisation de différentes techniques d'imagerie, analyse morphofonctionnelle dont FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) et enfin l'utilisation de lasers multiphotons pour obtenir une augmentation significative de la puissance de pénétration de la lumière dans l'échantillon .
Microscopie STED
Les premières années de ce siècle sont également marquées par le développement de nouvelles idées ingénieuses qui ont poussé la résolution optique au-delà des limites imposées par la nature de la lumière. En fait, nous parlons de super résolution, obtenue grâce à trois principales approches différentes : lMicroscopie STED développée par Stefan Hell (1962), prix Nobel de chimie en 2014, microscopie optique structurée qui doit sa naissance à Mats Gustafsson (1960-2011). ), et la microscopie de localisation, introduite dans les laboratoires de Harvard par Xiaowei Zhuang (1972), capable de visualiser une seule molécule avec une résolution 10 fois supérieure à la microscopie optique traditionnelle.
L'introduction des techniques de super-résolution a conduit aux microscopes optiques modernes, qui peuvent donc raisonnablement être appelés "nanoscopes". dialoguent de plus en plus avec les microscopes électroniques pour une meilleure intégration des analyses morphologiques. Aujourd'hui, le microscope est un outil irremplaçable au laboratoire et est devenu le symbole même de la recherche scientifique.
L'avenir de la microscopie
Le microscope a sans doute été l'une des plus grandes révolutions de l'histoire des sciences, marquant la naissance de la microbiologie, de la cytologie et de la biologie cellulaire. Les pas de géant que la recherche médicale a franchis au cours des 100 à 150 dernières années, avec tout ce qui a suivi, auraient été impensables sans le microscope.
Les nouvelles frontières de la technologie voient déjà le mariage entre les informations produites par les microscopes et l'utilisation de l'intelligence artificielle. Cette nouvelle discipline, appelée L'apprentissage en profondeur, est capable d'analyser des images prises au microscope et peut changer radicalement la microscopie et ouvrir la voie à de nouvelles découvertes. Mais Mats Gustafsson, l'un des pères de la super résolution, avait déjà réalisé tout cela lorsqu'il a déclaré : « Une fois qu'un ordinateur est ajouté entre le microscope et l'observateur humain, tout le jeu change. À ce moment là, un microscope n'est plus un appareil qui doit générer une image directement interprétable. Maintenant, c'est un appareil pour enregistrer des informations.
A ce stade, il serait légitime de se demander jusqu'où il est possible d'aller dans l'investigation et l'étude de la microscopie : le monde microscopique constitue un réservoir quasi inépuisable d'informations : la matière possède des propriétés structurales, chimiques et physiques qui reflètent l'empreinte donnée par les constantes fondamentales et l'homogénéité des lois physiques sont apparus dans les premiers instants de l'Univers et les variantes possibles, dont la plupart échappent encore à notre compréhension, constituent l'inimaginable variété du monde que nous observons.
