Comment les animaux perçoivent les champs magnétiques

De longue date on a fait l’hypothèse que les animaux pourraient percevoir le champ magnétique terrestre (CMT) afin de diriger leurs déplacements, en particulier les migrations. Bien que l’existence d’une magnétoréception ne soit pas le seul mécanisme explicatif possible, l’hypothèse d’une telle aptitude sensorielle a donné lieu à une activité de recherche soutenue au cours de ces deux dernières décennies, et récemment, plusieurs groupes ont apporté des éléments qui permettent une compréhension cohérente en termes de mécanismes.

Le comportement animal et les manifestations révélatrices d’une magnétoréception

Les migrations, par exemple celles des oiseaux, présentent généralement une direction dans l’axe Nord-Sud et sont associées à l’adaptation des espèces aux changements climatiques dépendant des saisons. Ce ne peut suffire à prouver que cette migration est dirigée par la perception du champ magnétique terrestre, car elle peut être conduite par beaucoup d’autres facteurs, tels que la température, l’évolution du couvert végétal, la durée respective des jours et des nuits, les mouvements du soleil, les astres visibles dans le ciel. L’hypothèse de la magnétoréception, peut sans autre élément de preuve, conduire à des conceptions discutables. Ainsi on invoque régulièrement la magnétoréception comme cause de l’échouage des baleines « trompées » par une anomalie du champ magnétique terrestre sans que la magnétoréception n’ait réellement été démontrée pour ces espèces. C’est pour cela qu’il faut se convaincre qu’il existe un fossé entre le « possible » et le « probable » et un gouffre entre le « probable » et le « démontré ».

La migration n’est pas qu’un déplacement sur une longue distance. C’est un bouleversement de l’ensemble de l’organisme, qui comporte des phénomènes préparatoires, en particulier d’ordre métabolique (constitution de réserves). Les oiseaux présentent ensuite une agitation et lorsqu’ils sont gardés en captivité, ils recherchent systématiquement la direction qu’ils prendraient s’ils étaient libres de s’envoler. Ce phénomène a été très largement utilisé pour étudier la magnétoréception.

Les migrations ne sont pas les seuls déplacements pour lesquels une orientation est nécessaire. Chez les oiseaux, des déplacements non migratoires, quelquefois sur de longues distances, sont induits par des situations temporaires (climat, nourriture). De même, chaque jour, des oiseaux quittent leur nid à la recherche de nourriture et reviennent à leur point de départ (« homing »). Cette aptitude est particulièrement développée chez le pigeon. Des pigeons déplacés de plus de 1000 kilomètres peuvent revenir au colombier après un voyage de 24 à 48 heures. La magnétoréception a été considérée indispensable pour accomplir ce voyage, et le pigeon a été l’une des espèces modèles dans cette recherche. Mais en réalité, le « homing » met en cause plusieurs mécanismes d’orientation (voir plus loin).

Les oiseaux ne sont pas le seul groupe animal susceptible de se déplacer en utilisant éventuellement la perception du champ magnétique terrestre : le fait est reconnu pour certaines espèces de poissons, d’amphibiens, et même de mammifères.

Électroréception et magnétoréception

L’électroréception est une modalité sensorielle bien établie dans certains groupes animaux, tout particulièrement chez certains poissons1. La très grande sensibilité de leurs électrorécepteurs (quelques micro-Ampères) (5) conduit à l’hypothèse que chez les élasmobranches (les raies et les requins), les courants induits par le déplacement dans le champ magnétique terrestre seraient à l’origine d’une magnétoréception indirecte2. Cette hypothèse est parfaitement plausible et compatible avec les ordres de grandeur des paramètres en cause. Elle n’a pas pu donner lieu à vérification expérimentale.

Cette magnétoréception peut donc être considérée comme indirecte. Mais pour parler de magnétoréception directe, il faut montrer l’existence de récepteurs directement sensibles au champ magnétique, ce qui implique qu’ils possèdent des matériaux mobilisés par le champ. Deux types de matériaux ont été reconnus comme le permettant : la magnétite et les radicaux libres formés à partir de certaines molécules.

Magnétoréception à magnétite

On peut imaginer qu’un récepteur de champ magnétique puisse être constitué par une particule ou fragment de matériau magnétique qui, tel un petit aimant, serait soumis à un couple de rotation en fonction du champ ambiant ou de ses variations. L’intérêt pour la magnétite a commencé avec l’étude des bactéries magnétotactiques (1,2). Ces bactéries flagellées des milieux aquatiques se déplacent en suivant la direction du vecteur du champ magnétique terrestre. Elles contiennent une chaîne de cristaux de magnétite qui les conduit à se comporter comme l’aiguille d’une boussole. Le mécanisme d’orientation est donc ici purement passif : les bactéries se placent dans la direction du vecteur du champ magnétique terrestre, qui comporte une inclinaison, et pour cela elles tendent à s’enfoncer dans les sédiments.

La magnétite (oxyde salin Fe3O4) a été retrouvée dans de nombreux milieux biologiques. Elle a été isolée in vitro, et les études physiques ont montré qu’elle possède les caractéristiques requises pour remplir la fonction d’un détecteur du champ magnétique terrestre.

Placés dans un champ magnétique de 50 microTeslas (ordre de grandeur du champ électromagnétique terrestre), les cristaux de taille élevée peuvent subir un couple de rotation susceptible de développer une force de quelques piconewtons, ce qui est compatible, à l’échelle cellulaire, avec la possibilité d’entraîner une mobilisation de certains éléments (cils), qui pourrait être suivie de l’émission d’un influx nerveux (13).

Chez les animaux, des cristaux de magnétite ont été observés en microscopie électronique, puis en utilisant la méthodologie des magnétomètres SQUID (qui permettent la mesure de champs magnétiques de très faible valeur, seuil : 1 femtoTesla). En l’espace de quelques années, de la magnétite a ainsi été détectée dans de nombreuses espèces animales, migratrices ou non (6). Des chaînes de magnétite présentant de grandes analogies avec celles des bactéries magnétotactiques ont été retrouvées chez le saumon, dans la région de l’ethmoïde. Une autre espèce de salmonidé, la truite arc-en-ciel, a montré son aptitude à répondre en frappant une cible lorsqu’elle détecte la présence d’un champ appliqué de manière aléatoire. Dans sa muqueuse olfactive, des cristaux de magnétite semblables à ceux décrits chez le saumon ont été mis en évidence (14).

Le « homing » du pigeon a suscité des expériences utilisant la possibilité de lui faire porter de petits aimants perturbant l’éventuelle réception du champ magnétique terrestre. En dépit des conditions apparemment favorables offertes par ce modèle expérimental et d’un nombre conséquent d’études, les résultats ont été pendant longtemps difficiles à interpréter pour ne pas dire incohérents. Une clarification a été apportée en montrant que les aimants ne perturbent pas l’orientation des pigeons par temps clair, mais la perturbent par temps couvert. De plus, les pigeons qui n’ont pas pu repérer la position du soleil avant midi (15) et qui s’orientent correctement sont perturbés si on leur fait porter des aimants. Ceci montre que le pigeon a plusieurs moyens d’orientation à sa disposition, le « compas solaire » étant le mécanisme prépondérant. Lorsque le soleil est caché, le seul moyen d’orientation est le « compas magnétique » et sa modification par des aimants perturbe le retour au nid. Le sens magnétique du pigeon a aussi été étudié au laboratoire (9). Il a ainsi été montré que le pigeon peut détecter la présence d’un champ de 70 microTeslas, aptitude qui disparaît après section du rameau ophtalmique du nerf trijumeau. La recherche de magnétite dans la région de distribution des fibres nerveuses de ce rameau nerveux met en évidence des particules à la base du bec et surtout dans la partie charnue située à la limite de la partie cornée et de la partie emplumée, désignée sous le nom de « cire ».

Des potentiels évoqués ont été recherchés (8) dans le nerf ophtalmique supérieur et dans le ganglion du trijumeau d’un passereau migrateur, le Goglu des prés. Des décharges neuronales unitaires de fréquence croissante avec la valeur du champ appliqué ont été caractérisées dans la gamme de 200 nanoTeslas à 50 microTeslas. À elle seule, cette constatation valide l’existence d’une magnétoréception cohérente avec une fonction de perception du champ magnétique terrestre.

Êtres vivants probablement dotés de magnétoréception reposant sur un détecteur à magnétite

Non-animaux : bactéries magnétotactiques, algues eucaryotes.

Mollusques : chitons.

Poissons : requins et raies (élasmobranches), anguilles, saumons Sockeye, truites, thons.

Amphibiens : salamandres et tritons. Oiseaux : pigeons, oiseaux migrateurs.

Monotrèmes (mammifères très particuliers, mi-oiseaux, mi-mammifères) : ornithorynques.

Cétacés : dauphins, baleines.

Rongeurs : mulots Sylvestre.

Magnétoréception impliquant des systèmes radicalaires

Le premier fait qui conduit à la conception actuelle d’une magnétoréception reposant sur des radicaux libres est que l’orientation en fonction du champ magnétique terrestre est influencée par la couleur de la lumière3.

Des tritons d’Amérique du Nord, semi-aquatiques, utilisent le champ magnétique terrestre pour guider leurs déplacements entre l’eau et le milieu terrestre. Soumis à des éclairages variables en longueur d’onde, ils prennent des directions différentes, ce qui indique un lien entre la magnétoréception et la lumière. Sous lumière bleue, la direction prise est la même que pour un spectre lumineux complet. En revanche, sous lumière orange, la direction prise est à 90° de celle prise sous lumière blanche (11).

L’existence d’une interaction entre la longueur d’onde de la lumière et la réception du champ magnétique terrestre a été retrouvée chez les oiseaux : chez le rouge-gorge, migrateur nocturne, la direction choisie est la même sous lumière verte ou bleue, que sous lumière blanche. En revanche, sous lumière rouge, ces oiseaux sont incapables de choisir une direction (17, 18). Comme chez les tritons, la réception du champ magnétique terrestre paraît nécessiter les longueurs d’ondes les plus courtes du spectre visuel. Chez le rouge-gorge, il a été montré que l’organe sensible au champ magnétique est l’œil. De plus, la magnétoréception est latéralisée : si la vision par l’œil droit est empêchée par la pose d’un bandeau, l’oiseau est incapable de déterminer la direction de la migration, alors qu’il est capable de le faire si c’est l’œil gauche qui est occulté (16). Cette constatation confirme de manière formelle qu’il existe une magnétoréception dont l’œil est le récepteur.

Les cryptochromes ont été découverts initialement chez les végétaux. Leur fonction physiologique a été très vite associée à la liaison entre le niveau d’éclairement et la croissance des plantes. Ces pigments sont présents dans tout le règne végétal et dans le règne animal, mais les molécules en cause peuvent varier en nombre et en nature selon les espèces. Chez les vertébrés, le ou les cryptochromes4 sont présents principalement dans les cellules ganglionnaires de la rétine (12). La base moléculaire de leur mécanisme d’action est celui d’une réaction photochimique5.