Le Rouge et le Noir : décryptage optique des couleurs des coccinelles

Article sur le site de l’Observatoire Midi-Pyrénées : https://www.news.obs-mip.fr/le-rouge-et-le-noir-decryptage-optique-des-couleurs-des-coccinelles/

1 – Introduction

Lorsqu’on découvre le monde des insectes, on est bien souvent frappé par la diversité des couleurs qu’on rencontre. La couleur n’est pas anodine, et pas seulement esthétique. Elle joue un rôle prépondérant pour la reproduction de l’espèce et dans les mécanismes de prédation.

En effet, pour la reproduction de belles couleurs et des motifs particuliers permettent de reconnaître un partenaire plus facilement. Mais ces belles couleurs peuvent attirer les prédateurs, ou au contraire leur indiquer qu’ils subiront un désagrément en avalant l’insecte : toxicité, goût désagréable, valeur énergétique faible. Avoir une couleur semblable à son environnement peut aussi s’assurer d’un certain mimétisme qui protège ou aide à surprendre sa proie.

Certains insectes sont pourtant peu colorés ou carrément noirs. Parfois la couleur ne leur apporte aucun avantage, et parfois leur teinte sombre ou claire dépend aussi de leur exposition à la lumière solaire.

Pourtant il est important de comprendre que les couleurs des insectes, parfois très vives à nos yeux, ne sont pas forcément perçues de la même façon par eux-mêmes ou leurs prédateurs. Par exemple, la vision des oiseaux est très différente de la nôtre avec souvent une acuité dans le proche ultraviolet.

Voilà pour l’intérêt de la couleur chez les insectes. On peut maintenant se poser la question : d’où provient cette couleur, quels sont les mécanismes à l’origine de la couleur des élytres de coccinelle ?

2 – Qu’est-ce que la couleur ?

D’un point de vue physique, la couleur est associée à la longueur d’onde des radiations électromagnétiques reçues par l’œil (ou le capteur).

Mais cette définition ne suffit pas : comment expliquer que l’addition d’une radiation de couleur rouge (disons λ = 650 nm) et d’une radiation de couleur verte (disons λ = 520 nm) nous paraisse jaune alors que le jaune a sa propre longueur d’onde aux alentours de 570 nm ?

C’est bien sûr parce que notre œil ne possède pas des récepteurs capables d’isoler une seule longueur d’onde, mais qui sont plutôt sensibles à des plages de longueurs d’onde. Pour la couleur, la plupart d’entre-nous dispose de 3 récepteurs spécifiques sur la rétine, les cônes. Un cône a une sensibilité autour du bleu (437 nm), un autre autour du vert (533 nm) et un autre autour du rouge orangé (564 nm).

Lorsque notre rétine reçoit une radiation de longueur d’onde 650 nm, seul notre cône rouge va être activé, nous percevons une couleur rouge. Pour la radiation de longueur d’onde 520 nm, les 3 cônes sont activés mais avec une réponse bien plus forte des cônes verts, nous percevons du vert.

Alors que se passe-t’il pour le jaune ? par exemple à 570 nm, les cônes rouges sont activés fortement mais aussi les cônes verts. Notre cerveau y associe la couleur jaune. Il se passe la même chose pour notre cerveau s’il reçoit l’addition des radiations de 650 et 520 nm.

2 – La chimie et la physique

Tout d’abord il convient de limiter l’étude car les coccinelles forment une famille qui regroupe plus de 6000 espèces aux aspects très variés. La recherche réalisée au sein du CRBE (Centre de recherche sur la biodiversité et l’environnement) s’appuie sur deux espèces modèles, Adalia bipunctata (L.), rouge orangé avec deux points noirs, et Calvia quatuordecimguttata (L.), noire avec 14 points beiges.

Voici une photographie d’un individu de chaque espèce :

Certaines études se concentrent sur l’origine chimique de cette couleur, d’autres sur l’aspect physique. Le travail réalisé montre qu’il faut considérer les 2 disciplines conjointement.

3 – Quels phénomènes lumineux sont mis en jeu ?

Dans le monde animal et en particulier celui des insectes, presque tous les phénomènes physiques liés à la lumière existent. On peut citer notamment l’absorption, la réflexion (certains insectes ont des carapaces qui paraissent métalliques), la diffusion, la diffraction et les interférences (notamment pour la couleur des ailes des papillons), l’émission par bioluminescence.

Pour les coccinelles nous nous intéresserons aux phénomènes d’absorption et de réflexion liés à la chimie, et à la réfraction en ce qui concerne la physique.

3.1 – Absorbance et réflexion

L’analyse des spectres obtenus montre bien une absorbance généralisée des longueurs d’onde inférieures à 500 nm due à la présence des caroténoïdes en particulier le β-carotène dont la présence a été confirmée par spectrométrie RAMAN. Pour la différence de teinte des deux coccinelles, on remarque que la zone rouge orangée de A. bipuctata absorbe de façon moins marquée dans la zone rouge alors que la zone beige de C. quatuordecimguttata absorbe de manière presque égale entre 550 et 900 nm et plus fortement que pour l’autre espèce. Pour la zone marron, l’absorbance est beaucoup plus forte sur tout le spectre, plus faible côté rouge, d’où une couleur marron et pas complètement noire, mais sombre due à la présence de mélanine.

3.2 – La réfraction des élytres

Une analyse au microscope électronique montre que la partie externe des élytres des 2 espèces de coccinelles sont constituées d’un empilement de 30 à 42 couches très fines d’une épaisseur variant d’environ 100 à 270 nm, avec parfois une couche très sombre au niveau des tâches.

Une simulation numérique à partir de ces informations et basée sur les réseaux de Bragg a montré que cette même structure a un rôle fondamental pour filtrer certaines longueurs d’onde de la lumière réfléchie (avec une forte dépendance à l’indice de réfraction moyen de la chitine).

3.3 – Combinaison

Il résulte de l’étude que la lumière réfléchie par les élytres provient de la combinaison des effets dus à la structure physique et à la composition chimique même de la chitine. La sélection de couleur due à la présence de molécules comme les β-carotènes ou la mélanine des élytres est amplifiée par la stratification de la chitine.

4 – Applications pédagogiques

Les coccinelles sont un support très intéressant pour de nombreuses activités pédagogiques. Les exemples ci-dessous sont loin de présenter l’exhaustivité des possibilités.

4.1 Activités autour des mathématiques en école maternelle et primaire

Les points sur les élytres constituent de bonnes occasions de travailler les comptages, les additions, les multiplications. Ces activités peuvent être menées avec des coccinelles vivantes ou des représentations.

4.2 La coccinelle en tant qu’être vivant

Comment classifier la coccinelle dans le monde vivant ? Comment est-elle organisée ? Quels sont ses organes et à quoi servent-ils ? Quel est son mode de reproduction ? La coccinelle en tant que prédateur et en tant que proie…

4.3 Le rôle de la couleur

On peut travailler sur la différence entre la définition scientifique de la couleur et la sensation. Il est intéressant de présenter les synthèses additive et soustractives de la lumière.

On peut aussi essayer de simuler la vision d’un oiseau avec un appareil photographique défiltré. On peut travailler sur la prédation avec une activité où les élèves sont des prédateurs et les proies des bonbons mais les élèves ont les yeux bandés : comment reconnaître son bonbon préféré ? à l’odeur, au toucher, …