Les pieuvres, les calmars et autres céphalopodes sont daltoniens – leurs yeux ne voient que le noir et le blanc – mais leurs pupilles de forme bizarre pourraient leur permettre de détecter les couleurs et d’imiter les couleurs de leur fond, selon une équipe père/fils de chercheurs de l’Université de Californie, Berkeley, et de l’Université Harvard.
Depuis des décennies, les biologistes s’interrogent sur le paradoxe suivant : malgré leur peau brillamment colorée et leur capacité à changer rapidement de couleur pour se fondre dans le décor, les céphalopodes ont des yeux ne contenant qu’un seul type de récepteur de lumière, ce qui signifie essentiellement qu’ils ne voient que le noir et le blanc.
Pourquoi un mâle prendrait-il le risque de faire clignoter ses couleurs vives lors d’une danse d’accouplement si la femelle ne peut même pas le voir mais qu’un poisson à proximité le peut – et l’engloutit rapidement ? Et comment ces animaux pourraient-ils faire correspondre la couleur de leur peau à leur environnement comme camouflage s’ils ne peuvent pas réellement voir les couleurs ?
Selon Alexander Stubbs, étudiant diplômé de l’UC Berkeley, les céphalopodes pourraient en fait être capables de voir les couleurs – juste différemment de tout autre animal.
La clé est une pupille inhabituelle – en forme de U, de W ou d’haltère – qui permet à la lumière de pénétrer dans l’œil à travers le cristallin depuis de nombreuses directions, plutôt que d’entrer directement dans la rétine.
Les yeux des humains et des autres mammifères ont des pupilles rondes qui se contractent en trous d’épingle pour nous donner une vision nette, avec toutes les couleurs concentrées au même endroit. Mais comme le savent tous ceux qui sont allés chez l’ophtalmologue, les pupilles dilatées non seulement rendent tout flou, mais créent des franges colorées autour des objets, ce que l’on appelle l’aberration chromatique.
C’est parce que le cristallin transparent de l’œil – qui, chez l’homme, change de forme pour focaliser la lumière sur la rétine – agit comme un prisme et divise la lumière blanche en ses composantes colorées. Plus la zone pupillaire par laquelle la lumière entre est grande, plus les couleurs sont étalées. Plus la pupille est petite, plus l’aberration chromatique est faible. Les lentilles des appareils photo et des télescopes souffrent de la même manière d’aberration chromatique, c’est pourquoi les photographes baissent le diaphragme de leurs objectifs pour obtenir l’image la plus nette avec le moins de flou dans les couleurs.
Les pupilles inhabituelles des céphalopodes (à partir du haut, une seiche, un calmar et une pieuvre) permettent à la lumière de pénétrer dans l’œil depuis de nombreuses directions, ce qui étale les couleurs et permet à ces créatures de déterminer les couleurs, même si elles sont techniquement daltoniennes. (Photos de Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
Les céphalopodes, cependant, ont évolué vers de larges pupilles qui accentuent l’aberration chromatique, a déclaré Stubbs, et pourraient avoir la capacité de juger la couleur en amenant des longueurs d’onde spécifiques à un foyer sur la rétine, un peu comme les animaux comme les caméléons jugent la distance en utilisant la mise au point relative. Ils focalisent ces longueurs d’onde en changeant la profondeur de leur globe oculaire, en modifiant la distance entre la lentille et la rétine, et en déplaçant la pupille pour modifier son emplacement hors axe et donc la quantité de flou chromatique.
« Nous proposons que ces créatures puissent exploiter une source omniprésente de dégradation de l’image dans les yeux des animaux, transformant un bug en une caractéristique », a déclaré Stubbs. « Alors que la plupart des organismes évoluent pour minimiser cet effet, les pupilles en forme de U des pieuvres et de leurs parents calamars et seiches maximisent en fait cette imperfection dans leur système visuel tout en minimisant les autres sources d’erreur d’image, brouillant leur vue du monde mais d’une manière dépendante de la couleur et leur ouvrant la possibilité d’obtenir des informations sur la couleur. »
Pupilles en forme de U
Stubbs est fasciné par le paradoxe du daltonisme/camouflage depuis qu’il l’a lu au lycée, et lors d’excursions de plongée en Indonésie et ailleurs, il a pu constater de visu à quel point les seiches, les calmars et les pieuvres – et leur environnement – sont colorés.
Il a eu l’idée que les céphalopodes pourraient utiliser l’aberration chromatique pour voir la couleur après avoir photographié des lézards qui s’affichent à la lumière ultraviolette, et remarqué que les caméras UV souffrent d’aberration chromatique. Il s’est associé à son père, Christopher Stubbs, astrophysicien à Harvard, pour mettre au point une simulation informatique permettant de modéliser la façon dont les yeux des céphalopodes pourraient utiliser cette aberration pour percevoir les couleurs. Tous deux publieront leur hypothèse en ligne cette semaine dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ils ont conclu qu’une pupille en forme de U comme celle des calmars et des seiches permettrait aux animaux de déterminer la couleur selon qu’elle est focalisée ou non sur sa rétine. La pupille en forme d’haltère de nombreuses pieuvres fonctionne de la même manière, puisqu’elle est enroulée autour du globe oculaire en forme de U et produit un effet similaire lorsque l’on regarde vers le bas. Cela pourrait même être la base de la vision des couleurs chez les dauphins, qui ont des pupilles en forme de U lorsqu’elles sont contractées, et les araignées sauteuses.
« Leur vision est floue, mais le flou dépend de la couleur », a déclaré Stubbs. « Ils seraient comparativement mauvais pour résoudre les objets blancs, qui reflètent toutes les longueurs d’onde de la lumière. Mais ils pourraient faire une mise au point assez précise sur des objets de couleurs plus pures, comme le jaune ou le bleu, qui sont courants dans les récifs coralliens, les rochers et les algues. Il semble qu’ils paient un prix élevé pour la forme de leur pupille, mais ils pourraient être prêts à vivre avec une acuité visuelle réduite pour maintenir le flou dépendant de la chromatique, et cela pourrait permettre la vision des couleurs chez ces organismes. »
Le calmar de récif à grandes nageoires Sepioteuthis lessoniana change vivement de couleur tout en se signalant aux membres de sa propre espèce. (Photo courtoisie de Gary Bell/OceanwideImages.com)
« Nous avons effectué une modélisation informatique approfondie du système optique de ces animaux, et nous avons été surpris de voir à quel point le contraste de l’image dépend de la couleur », a déclaré Stubbs de Harvard, professeur de physique et d’astronomie. « Il serait dommage que la nature n’en tire pas profit ».
Le jeune Stubbs a longuement étudié 60 ans d’études sur la vision des couleurs chez les céphalopodes, et a découvert que, si certains biologistes avaient fait état d’une capacité à distinguer les couleurs, d’autres avaient rapporté le contraire. Les études négatives, cependant, testaient souvent la capacité de l’animal à voir des couleurs unies ou des bords entre deux couleurs de luminosité égale, ce qui est difficile pour ce type d’œil car, comme avec un appareil photo, il est difficile de faire la mise au point sur une couleur unie sans contraste. Les céphalopodes sont les meilleurs pour distinguer les bords entre les couleurs sombres et les couleurs vives, et en fait, leurs motifs d’affichage sont généralement des régions de couleur séparées par des barres noires.
« Nous pensons avoir trouvé un mécanisme élégant qui pourrait permettre à ces céphalopodes de déterminer la couleur de leur environnement, malgré le fait qu’ils n’aient qu’un seul pigment visuel dans leur rétine », a-t-il déclaré. « Il s’agit d’un schéma entièrement différent des pigments visuels multicolores que l’on trouve couramment chez l’homme et de nombreux autres animaux. Nous espérons que cette étude stimulera des expériences comportementales supplémentaires par la communauté des céphalopodes. »
Selon la nouvelle théorie, la pupille de la seiche Sepia bandensis maximise le flou chromatique, permettant à l’animal de détecter la couleur. (Photo de Roy Caldwell)
Stubbs a noté que les céphalopodes pourraient ne pas perdre beaucoup d’informations sur les couleurs en n’ayant qu’un seul type de photorécepteur, puisque les couleurs rouges sont bloquées par l’eau, de sorte que seule une gamme réduite de lumière optique pénètre réellement jusqu’aux faibles profondeurs où ils vivent. Avoir un photorécepteur qui répond à une large gamme de couleurs à cette profondeur leur permettrait de voir en faible lumière avec leur pupille complètement dilatée, tandis que la pupille hors axe maintient le potentiel de discrimination spectrale dans des conditions de haute lumière.
Intrigante, l’utilisation de l’aberration chromatique pour détecter la couleur est plus intensive en calcul que d’autres types de vision des couleurs, comme la nôtre, et nécessite probablement beaucoup de puissance cérébrale, a déclaré Stubbs. Cela pourrait expliquer, en partie, pourquoi les céphalopodes sont les invertébrés les plus intelligents sur Terre.
Ces travaux ont été soutenus par le Musée de zoologie des vertébrés de l’UC Berkeley, par une subvention du Graduate Research Fellow Program accordée à Alexander Stubbs, et par l’Université Harvard.