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Les yeux (la vision), dans leur diversité de forme et de structure, permettent à un organisme, quel qu’il soit (invertébrés et vertébrés), de collecter l’énergie lumineuse (photons), de la convertir en énergie électrique qui sera ensuite transmise au cerveau via des neurones où elle sera analysée et interprétée pour donner naissance à une représentation mentale de l’environnement à l’animal lui permettant de se déplacer, de repérer une proie ou un partenaire sexuel.

Cependant, l’oeil des arthropodes est différent de celui des vertébrés tant au niveau de son anatomie que de son mode de fonctionnement. Cette série de trois articles essaie d’apporter une synthèse générale sur la vision chez les insectes : 1) Anatomie et structure des yeux ; 2) Vision et perception du mouvement ; 3) Physiologie des récepteurs et mécanismes de régulation de la sensibilité à la lumière.

I. Transduction de l’énergie lumineuse en énergie électrique

La conversion d’un signal lumineux en énergie électrique puis en message nerveux implique un mécanisme appelé phototransduction. Ce processus fait intervenir des récepteurs protéiques photosensibles : les pigments visuels, appelés rhodopsines. Chez les insectes, ces protéines se rencontrent dans de petites structures spécialisées : les chromophores, elles même présentent dans le rhabdomère des ommatidies (lire cet article).

Oeil composé et ommatidies d’un insecte (Source : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)

Par exemple, chez la drosophile (Drosophila melanogaster), 500 à 2000 molécules de rhodopsines sont présentent dans chacune des 40 000 microvilli que contient un rhabdomère d’une ommatidie.

Lorsqu’un photon (particule lumineuse) est absorbé par une molécule de rhodopsine, une cascade complexe d’événements chimiques entraine une dépolarisation (changement de charge électrique) de la membrane d’une cellule nerveuse (neurone).

La probabilité pour qu’un photon rencontre une molécule de rhodopsine dépend de la longueur du rhabdomère : ainsi, avec une longueur de 80µm, le rhabdomère de la drosophile absorbe 26% de la lumière contre 100% chez la libellule. Chez d’autres espèces, nocturnes ou évoluant dans la pénombre, un tapetum* (surface réfléchissante) renvoie la lumière, tel un miroir, une deuxième fois vers le rhabdomère, augmentant ainsi la probabilité de rencontre d’un photon avec une molécule de rhodopsine et donc la sensibilité de l’organe visuel à la lumière.

*Tapetum : le même principe se retrouve chez les yeux de vertébrés nocturnes comme les chats, leurs yeux reflétant la lumière des phares d’une voiture par exemple.

II. Adaptation aux changements de luminosité

Les cycles nycthéméraux entrainent de grandes fluctuations importantes de luminosité entre le jour et la nuit : 4×10.20 photons par mètre carré et par seconde en journée contre 10.10 photons durant la nuit (variation d’un facteur 40 milliards !). Afin de pallier cette contrainte environnementale, les insectes ont développé de multiples adaptations situées à deux niveaux : 1) Régulation de la quantité de lumière atteignant les photorécepteurs ; 2) Modification de la sensibilité des photorécepteurs.

II.1. Régulation de la quantité de lumière atteignant les photorécepteurs

La quantité de lumière qui atteint le rhabdomère est régulée par le mouvement des pigments dans les cellules, mouvement parfois associé à la modification anatomique des ommatidies. Cette adaptation se retrouve en majorité dans des yeux composés de type « superposition » (lire cet article) (Illustration 1 ci-dessous).

Illustration 1 – Formation de l’image : a) dans un oeil composé de type apposition, la lentille formant une image inversée de l’objet, b) dans un oeil composé de type superposition, les rayons lumineux sont réfractés à l’intérieur de la lentille (Source : The Insects : Structure and Function – R.F. Chapman – 5ème Edition (2013) – p716 – Modifié par B. Gilles)

  • Yeux de types superposition

Les adaptations se situent à deux niveaux :

Illustration 2 – Exemple d’adaptation à 1) la nuit (à gauche) – 2) à la lumière (à droite) (Chez le genre Archicauliodes, Mégaloptères) – D’après Walcott, 1975 (Source : The Insects : Structure and Function – R.F. Chapman – 5ème Edition (2013) – p711 – Modifié par B. Gilles)

Pigments : dans un environnement obscur, les pigments sont situés dans la zone distale des cellules pigmentaires, permettant ainsi aux photons de se propager entre les ommatidies : zone claire (Illustration 2 ci-contre – cliquer dessus pour agrandir). A l’inverse, en présence d’une forte intensité lumineuse, les pigments se déplacent vers le centre des cellules afin de limiter l’entrée de lumière en diminuant la quantité de photons pénétrant dans l’ommatidie. A ce moment, le fonctionnement de l’oeil est similaire à celui de type « apposition », où chaque ommatidie fonctionne indépendamment des autres (lire cet article).

Un procédé similaire existe dans nos yeux, le cristallin se ferme ou s’ouvre plus ou moins en fonction de l’intensité lumineuse présente dans l’environnement.

Cellules photoréceptrices : l’adaptation au changement de luminosité se réalise par l’extension et la compression du cône cristallin, cantonnant le pigment aux parties périphériques de l’ommatidie. En présence d’une forte luminosité, les cellules photoréceptrices sont courtes et les cellules pigmentaires primaires s’étendent sous la lentille, ces déplacements peuvent représenter près de 15µm.

Les adaptations à une variation de luminosité requièrent parfois plusieurs minutes, voire davantage. Chez les fourmis Camponotus, les premiers changements interviennent 15 minutes après un changement d’intensité lumineuse pour se finir 2 heures après. Il existe une grande variété de tempo entre les espèces. Ainsi, chez les papillons de nuit (hétérocères) du genre Cydia (des Carpocapses), le processus complet, d’une durée de 1 heure, débute 1h30 avant le crépuscule ou l’aurore pour que l’adaptation soit terminée 30 min avant le changement total de luminosité.

L’intensité lumineuse perçue est également dépendante de (suite…)

L’un des besoins les plus universels des animaux est d’appréhender l’environnement dans lequel ils vivent pour se déplacer dans des milieux complexes et diversifiés à la recherche de congénères, pour fuir des prédateurs ou encore capturer des proies.

L’acquisition de renseignements peut s’effectuer de diverses manières avec les sens de l’ouïe, du toucher, de l’odorat ou encore de la vision. Cette dernière est celle qui procure le plus d’efficacité pour les insectes diurnes. Pour les insectes nocturnes, d’autres organes sensoriels spécialisés, comme les mécanorécepteurs cuticulaires, placés sur les antennes, les pattes et autres parties du corps, interviennent dans le toucher (contact ou courant d’air) par exemple (lire les articles sur les mécanorécepteurs).

Cicindela hybrida transversalis (Dejean, 1822) (Source : Flickr - Udo Schmidt)

Cicindela hybrida transversalis (Dejean, 1822) (Source : Flickr – Udo Schmidt)

Les espèces prédatrices diurnes possèdent généralement des yeux hypertrophiés et une acuité visuelle très performante développés pour la capture de proies en mouvement. On retrouve ces adaptations chez les libellules (Odonates), les mouches (Diptères) ou encore les Coléoptères comme certaines espèces du genre Cicindela (article sur l’anatomie des yeux des insectes à lire ici). Appelés dans le langage courant « cicindèles », ces insectes appartiennent à la famille des Carabidae et à la sous-famille des Cicindelinae. Toutes les espèces de cicindèles sont prédatrices, certaines nocturnes, d’autres diurnes, et capturent leurs proies en les poursuivant sur le sol par des déplacements très rapides.

Fait étonnant, les cicindèles diurnes réalisent des phases d’arrêt successives à intervalle régulier durant leur course. Il a été démontré que ce comportement résulte de la vitesse à laquelle ces insectes courent. Malgré de grands yeux adaptés pour une vision large et précise, les phases d’accélération sont tellement élevées que leurs récepteurs à photons (photorécepteurs) situés dans leurs yeux ne peuvent en capter suffisamment rendant la vision floue. Des vitesses de 2,4 m par seconde ont pu être relevées, soit 120 fois la longueur de l’insecte. En comparaison, c’est comme si un homme de 1,70 m se déplaçait à 734,4 km par heure, et cela, à la surface du sol !

Donc, afin de visualiser à nouveau précisément la proie et les obstacles de l’environnement qui se trouvent devant lui, l’insecte doit suspendre sa course quelques dizaines de millisecondes pour réaliser une mise au point.

Des études publiées en 2014 par deux scientifiques américains, Daniel B. Zurek et Cole Gilbert, ont démontré que (suite…)

La mouche des fruits, Drosophila melanogaster, bien qu’étudiée depuis près de 100 ans par des scientifiques du monde entier et de toutes les disciplines, les paramètres permettant le choix du partenaire sexuel par la femelle restent encore peu connus. Une équipe internationale de chercheur vient de mettre en évidence le rôle de la réfraction lumineuse des ailes du mâle dans l’attractivité de la femelle et dans le choix du partenaire sexuel.

Dans la nature, la vision intervient dans une multitude de processus biologiques comme la stratégie de reproduction, le signalement ou les comportements sociaux. La sélection naturelle a permis l’apparition d’une diversité infinie de couleur et de pattern chez les animaux, comme chez les oiseaux et les papillons par exemple. La couleur peut ainsi jouer un rôle dans le camouflage, la défense contre la prédation et le rapprochement entre partenaires sexuels.

Variations de reflets sur ailes de mouche Drosophila melanogaster mâle (Source : Katayama et al., 2014)

Variations de reflets sur ailes de mouche Drosophila melanogaster mâle (Source : Katayama et al., 2014)

Des études récentes ont montré (suite…)