Une image en couleurs d’un coronavirus est-elle scientifiquement justifiée ?

Rouge cerise, vert fluo, bleu acier, jaune acide, pourpre cardinal… avec des protubérances en forme de mini-ventouses, les représentations artistiques en couleurs des coronavirus ne manquent pas (Fig. 1) ! Dignes parfois des films de science-fiction du genre alien, elles ne font que renforcer la peur de ces virus redoutables. Peut-être est-ce souhaitable à l’encontre de ceux qui minimisent le danger… mais pour les autres, n’est-ce pas un surcroît inutile de stress ? Mais là n’est pas notre propos. La question ici est de savoir comment on peut visualiser un coronavirus et si cela a un sens de parler de sa ou de ses couleurs.

Fig. 1. Vue d’artiste d’un coronavirus, affichée en tête du site internet de Santé publique France en mars 2020.

Les conditions requises pour percevoir un objet coloré

Rappelons tout d’abord que la couleur est la sensation que nous procure le cerveau quand de la lumière frappe la rétine de nos yeux. Un objet éclairé en lumière blanche nous apparaît coloré s’il absorbe certaines longueurs d’onde et réfléchit les autres vers notre œil. Autre possibilité : l’objet renvoie partiellement la lumière en la renforçant à certaines longueurs d’onde et en l’atténuant à d’autres par des processus physiques tels que la diffraction, les interférences, la diffusion.

Encore faut-il que la taille apparente de l’objet soit suffisamment grande. Le pouvoir de résolution de l’œil est limité par la densité des photorécepteurs (cônes) dans la partie la plus sensible de la rétine (fovéa). À une distance de 30 cm, l’œil est capable de détecter un détail d’1/10e de mm (un cheveu par exemple). Pour observer des objets de très petite taille, l’homme a inventé le microscope optique à la fin du XVIe siècle. Son pouvoir de résolution étant limité par la diffraction de la lumière,1 il ne permet pas de distinguer des détails inférieurs à 0,2 micromètre – c’est-à-dire la moitié de la longueur d’onde la plus courte de la lumière. En biologie, la microscopie optique permet donc d’observer des cellules, des bactéries, mais pas des virus car leur taille est inférieure à la résolution du microscope (Fig. 2). En conséquence, parler de la couleur intrinsèque d’un virus n’a aucun sens puisqu’il est inobservable par la lumière.

Fig. 2. Le pouvoir de résolution d’un microscope optique est insuffisant pour observer un virus (1 μm (micromètre) = 1 millième de millimètre ; 1 nm (nanomètre)= 1 millionième de millimètre). © Bernard Valeur 

Zoom sur les coronavirus par microscopie électronique

Comment contourner la limite imposée par la diffraction de la lumière ? Il existe plusieurs techniques mais nous nous limiterons ici à la microscopie électronique (voir l’annexe à la fin de cet article) qui est la méthode de choix pour l’observation des virus. Elle consiste à utiliser un faisceau d’électrons incident au lieu d’un faisceau de lumière et à remplacer les lentilles optiques par des lentilles électromagnétiques. Le pouvoir de résolution est bien meilleur que celui de la microscopie optique car à un électron d’énergie donnée on peut associer une onde (ainsi que l’avait prédit Louis de Broglie), dont la longueur d’onde est beaucoup plus petite que celle de la lumière. C’est pourquoi la résolution d’un microscope électronique est de l’ordre du nanomètre. Elle dépend toutefois des conditions expérimentales et de la technique : on distingue en effet la microscopie électronique en transmission et la microscopie électronique à balayage dont les résolutions sont respectivement de 0,1 et 1 nanomètre environ.

Penchons-nous maintenant sur les coronavirus.2 La figure 3 montre des images obtenues par microscopie électronique du premier coronavirus susceptible d’induire une détresse respiratoire aiguë, SARS-CoV (Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus), identifié en 2003. Ces images sont évidemment en niveaux de gris. La technique par balayage révèle la forme globale du virus, tandis que la technique par transmission – du fait de sa meilleure résolution – révèle les détails de sa structure. On distingue des pointes à la surface donnant l’apparence d’une couronne, d’où le nom de coronavirus (du latin corona, la « couronne »). Le diamètre est de 100 nanomètres environ.

Fig. 3. Coronavirus SARS-CoV visualisé par microscopie électronique à balayage (image principale) L’encart montre l’image d’un coronavirus obtenue par microscopie électronique en transmission ; le procédé de coloration négative est mis à profit pour améliorer le contraste (voir annexe). Image extraite d’un article publié dans PLOS-MEDICINE. Crédit : CDC/Mary Ng Mah Lee / Wikimedia commons

La colorisation pour l’esthétique et la compréhension

La figure 4 présente l’une des toutes premières images du coronavirus SARS-CoV-2, responsable de la maladie Covid-19 (abréviation de coronavirus disease 2019). Il a été isolé à partir des premiers patients pris en charge à l'Hôpital Bichat en janvier 2020. Pour rendre l’image plus compréhensible au premier coup d’œil, les virus sont colorisés en rouge, et les cellules épithéliales, en bleu.

Fig. 4. Cliché de microscopie électronique en transmission montrant des coronavirus SARS-Cov-2 (en rouge) responsables de la maladie Covid-19. Ils sont ici accrochés à des cellules épithéliales (en bleu) au niveau des cils du pôle apical (pôle de la cellule tourné vers le milieu extracellulaire). Pour les observer, les chercheurs ont reproduit les conditions d’infection dans un épithélium respiratoire humain reconstitué. Source : Inserm. Crédit photo : Manuel Rosa-Calatrava, Inserm ; Olivier Terrier, CNRS ; Andrés Pizzorno, Signia Therapeutics ; Elisabeth Errazuriz-Cerda UCBL1 CIQLE. VirPath (Centre international de recherche en infectiologie Unité Inserm 1111 - UMR 5308 CNRS - ENS Lyon - UCBL1). Image colorisée par Noa Rosa C.

Il est courant de coloriser les images obtenues par microscopie électronique non seulement pour des raisons esthétiques, mais aussi pour faciliter l’interprétation. La colorisation peut être effectuée de façon manuelle à l’aide de logiciels de retouche d’image. Ce traitement étant long, des logiciels spécialisés ont été conçus pour rendre la colorisation semi-automatique : par une série d’opérations mathématiques effectuées en cascade, ils permettent de retrouver automatiquement la position des objets dans l'image et de les coloriser.3

Les couleurs choisies par l’opérateur sont évidemment arbitraires, comme le montre la figure 5 présentant diverses images où le coronavirus SARS-CoV-2 est colorisé différemment.

Fig. 5. Exemples d’images colorisées du coronavirus SARS-CoV-2 obtenues par microscopie électronique en transmission (en haut) et à balayage (en bas). Sur les images du bas, on voit les virus (en bleu ou jaune) émergeant de cellules cultivées en laboratoire. Crédits : NAID (National Institute of Allergy and Infectious disease) / Flickr-Wikimedia commons

Les couleurs aident à décrire une morphologie complexe

Les objets biologiques ont des structures souvent très complexes et il est courant de les représenter par des schémas où les divers éléments apparaissent de différentes couleurs. La figure 6 représentant en couleurs la morphologie du nouveau coronavirus SARS-CoV-2 en est une belle illustration.

Fig. 6. Représentation de la morphologie du nouveau coronavirus SARS-CoV-2. Les différentes couleurs permettent de distinguer facilement les divers éléments structuraux. L’enveloppe virale, constituée de phospholipides membranaires, est représentée en rouge. Elle contient quatre types de protéines, en particulier les glycoprotéines (en mauve) en forme de petites massues pointant vers l’extérieur. Elles donnent l’apparence d’une couronne qui est à l’origine du nom de coronavirus. La vue en coupe montre les constituants internes, essentiellement l’ARN viral. Adaptation française de l’image publiée par scientificanimations.com / Wikimedia commons

Selon la fameuse formule de Napoléon Bonaparte : « Un bon croquis vaut mieux qu’un long discours » ? Surtout s’il est en couleurs, peut-on ajouter, car « la couleur est plus forte que le langage » (Marie-Laure Bernadac).

Notes et références

1En raison du phénomène de diffraction de la lumière (lié à la nature ondulatoire de celle-ci), l’image d’un objet ponctuel que fournit un instrument n’est pas un point mais une tache, appelée tache de diffraction (ou tache d’Airy). Le pouvoir de résolution d’un instrument est la distance minimale séparant deux points dont les taches de diffraction sont discernables. Dans la pratique, la résolution dépend des conditions expérimentales d’observation : elle est inférieure ou égale au pouvoir de résolution.

2Coronavirus. futura-sciences.com

S. Makin, « Souvent bénins, parfois mortels : comment fonctionnent les coronavirus ? », Pour la Science

3P. Coutance, « La microscopie électronique à balayage prend des couleurs », Mesures. Article consultable ici.

ANNEXE. Principes de la microscopie électronique

Un microscope devient un nanoscope grâce aux électrons

En 1923, le physicien Français Louis de Broglie proposa d'étendre la dualité onde-particule observée pour la lumière (onde électromagnétique – photons), à toute particule de matière en mouvement, en particulier les électrons. Une expérience montrant la diffraction d’un faisceau d’électrons confirma cette hypothèse. En conséquence, l'onde associée aux électrons – dont la longueur d'onde est beaucoup plus petite que celle de la lumière visible – peut être mise à profit pour concevoir un microscope utilisant des électrons. Il est ainsi possible d'observer des objets beaucoup plus petits (à l’échelle nanomètrique) qu’avec un microscope optique.

Microscopie électronique en transmission

Un faisceau d’électrons passe à travers un échantillon très mince. L’interaction des électrons avec ce dernier donne lieu à une image qui, grâce à un système de lentilles magnétiques, est projetée sur un écran phosphorescent (ou un détecteur CCD). L’image électronique est ainsi convertie en image optique (monochrome). La résolution est d’environ 0,1 nanomètre.

Pour l’observation d’objets biologiques (des virus par exemple), on améliore le contraste par coloration négative. L’objet est déposé sur une grille métallique, puis recouvert d’un agent de contraste à base de sels de métaux lourds (ex. : phosphotungstate), et enfin séché. Cet agent dévie efficacement les électrons incidents du fait de la masse atomique élevée des atomes lourds qu’il contient. Comme il se fixe préférentiellement sur les bords d’un objet biologique, le cœur de celui-ci apparaît plus clair que ses contours, d’où le nom de coloration négative. Ce terme est trompeur car l’image est en fait en niveaux de gris.

Microscope électronique à balayage

Un faisceau d’électrons est focalisé sur l’échantillon et balaie sa surface. Lorsque ces électrons, dits primaires, frappent les atomes de l’échantillon, certains sont rétrodiffusés (sans perte d’énergie), d’autres cèdent une partie de leur énergie en donnant naissance notamment à des électrons dits secondaires. Ces derniers sont détectés et fournissent des signaux permettant de reconstruire une image en relief de la surface de l’échantillon. La résolution (1 nm) est inférieure à celle de la technique par transmission (0,1 nm) mais la grande profondeur de champ est un avantage certain.

Pour en savoir plus :

• Microscopie électronique en transmission. Wikipedia.

• Microscopie électronique à balayage. Wikipedia.

• Le microscope électronique à balayage. Dossier consultable ici.

 

 


Un commentaire pour “Une image en couleurs d’un coronavirus est-elle scientifiquement justifiée ?”

  1. Christian FRANCHI Répondre | Permalink

    Merci beaucoup pour ce tour complet de la question. Une fois de plus vous, Bernard Valeur, permettez aux moins savants que vous un accès vers la compréhension de notions réputées hors de portée. Et vous nous offrez ça en toute simplicité.
    Le vilain mot "vulgarisation" ne convient décidément pas à ce partage de connaissances qui nous régale.

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