VI/ L’orientation grâce au champ magnétique terrestre| Cathy Constant-Elissagaray : présentation à la Société d'Astronomie Populaire de la Côte Basque (SAPCB) | Orientation et désorientation des abeilles |
Vendredi 5 janvier 2018 |
Ou comment les abeilles font de l’astronomie sans le savoir... |
VI/ L’orientation grâce au champ magnétique terrestre
VI.1 Le champ magnétique de la Terre (CMT)
VI.2 Perception du CMT par l’abeille
VI.3 Des cristaux de magnétite dans l’abdomen
VI.4 Inclinaison des lignes du CMT
VI.5 4 effets du CMT sur l’abeille
VI.6 Autres effets
VI.7 Variations quotidiennes du CMT
VI.1 Le champ magnétique de la Terre
Le champ magnétique de la Terre est en premier lieu généré à l’intérieur de la Terre, par l’effet de dynamo dû aux mouvements de convection dans le noyau terrestre, composé à 90% de fer liquide. Ces mouvements sont générés par le refroidissement progressif du noyau et de la graine solide située au centre de la Terre. Il en résulte un champ magnétique dipolaire, incliné d’environ 10° par rapport à l’axe de rotation de la Terre.
La magnétosphère, créée par le champ magnétique terrestre, a joué un rôle essentiel pour le développement de la vie sur la Terre en déviant les particules de haute énergie du vent solaire et des rayons cosmiques. Ceci a permis à l’atmosphère terrestre de se maintenir au cours du temps, contrairement à ce qui s’est passé sur Mars, où en l’absence d’un champ magnétique important, le vent solaire a arraché à son passage une grande partie de l’atmosphère de cette planète. Le bouclier fourni par la magnétosphère terrestre a ainsi réduit le flux de rayonnement à haute énergie qui arrive jusqu’au sol, permettant le maintien de la vie sur Terre.
Les pôles magnétiques Nord et Sud, définis comme les points à la surface de la Terre où le champ magnétique est exactement vertical, ne sont pas exactement antipodaux. Le pôle magnétique Nord se trouve dans le grand Nord Canadien, tandis que le pôle magnétique Sud se trouve au large de la base française de Dumont d’Urville en Antarctique. La variation séculaire du champ magnétique terrestre se traduit par une lente dérive des pôles magnétiques. Ainsi le pôle magnétique Nord se déplace actuellement à la vitesse de 55 km/an vers la Sibérie.
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Inclinaison des lignes du champ magnétique terrestre |
VI.2 Perception du CMT par l’abeille
Comment savons-nous si les abeilles sont sensibles au champ magnétique terrestre ? Dans l'expérience ci-dessous, on commence par soumettre l'abeille à un fort champ magnétique de façon à annuler l'effet du champ magnétique terrestre. Puis on la soumet à un conditionnement, à l'instar du grand médecin et physiologiste russe Ivan Pavlov qui, lui, avait travaillé avec des chiens. Il fut lauréat du prix Nobel de physiologie ou médecine de 1904 et reçut la médaille Copley en 1915. En voici le protocole. L'abeille, naturellement, a tendance à tirer la langue (le proboscis) lorsqu'elle se trouve en présence de nectar (ou d'eau sucrée). On la coince dans un petit tube. A chaque fois qu'on lui présente une goutte d'eau sucrée, on la soumet à un stimulus magnétique (20 cycles par jour). Au bout de quelque temps, le simple stimulus magnétique suffit à actionner son réflexe d'extension du proboscis. Cela démontre qu'elle y est effectivement sensible.
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Magnétisation par un fort aimant permanent |
VI.3 Des cristaux de magnétite dans l’abdomen
Comment l'abeille perçoit-elle le champ magnétique ? Les scientifiques ont essayé de localiser dans le corps la partie sensible en prenant mille abeilles, découpées en têtes, thorax, abdomens. Mille abdomens écrasés ensemble ont finalement révélé la présence de particules de magnétites. L’abeille a plus d’un million de cristaux de magnétite (Fe3O4), qui contiennent du fer et commencent à être synthétisés en fin de transformation de la nymphe. Leur nombre s’accroît avec l’âge de l’abeille qui devient ainsi de plus en plus apte à utiliser le champ magnétique comme aide à l'orientation. Ils sont dans la partie antérieure de l’abdomen, près de l’un des deux organes de l’abeille qui détectent la gravité. Leur alignement en réseau produit un champ magnétique naturel dans le plan horizontal de l’abeille, à angle droit de l’axe de son corps. Chaque cristal est libre de pivoter pour s’aligner dans le champ magnétique terrestre. On ignore encore comment cette information est transmise au centre nerveux pour être exploitée par l'abeille.
Expérience : La limaille de fer s’oriente selon les lignes du champ magnétique de l’aimant
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Action d'un aimant sur de la limaille de fer |
VI.4 Inclinaison des lignes du CMT
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Il y a deux modèles de systèmes de réception du magnétisme par les animaux terrestres : l'un est chimique et l'autre basé sur la magnétite. Le système de magnétoréception chimique dépend de la lumière et fonctionne grâce à une flavoprotéine appelée cryptochrome qui est un photorécepteur. Il contient deux pigments qui peuvent être excités par le rayonnement ultraviolet (UV)-A et le bleu en se scindant en une paire de radicaux dont la réaction dépend de l'intensité et de l'orientation du champ magnétique terrestre. Certains animaux, tels que les oiseaux migrateurs, la mouche à viande, le cafard américain, le papillon monarque et la mouche des fruits, y seraient sensibles, mais cela n'a pas été encore démontré pour l'abeille, bien qu'elle soit dotée de cryptochromes.
VI.5 4 effets du CMT sur l’abeille
1/ Les abeilles dansent sur les rayons verticaux de la ruche et, ce faisant, convertissent l’azimut de la source de nourriture (l'angle par rapport à la projection du Soleil sur l'horizon) en un angle par rapport à la verticale du lieu. Pour ce faire, elles utilisent bien sûr la gravité qui est aussi un paramètre astronomique connu depuis les travaux d'Isaac Newton (Loi universelle de la gravitation). Toutefois, à certaines heures, elles commettent de petites erreurs régulières, alors que si on masque le champ magnétique terrestre, ces erreurs ne se produisent plus.
2/ Lorsque les rayons sont basculés à l’horizontale, les abeilles sont désorientées. Après quelques semaines, elles réorientent leurs danses selon les points cardinaux de la boussole magnétique. Si, de nouveau, on masque le champ magnétique terrestre, elles sont incapables de se réorienter.
3/ Si on les déplace dans une ruche vide cylindrique dépourvue de repères, elles construisent les rayons selon la même orientation par rapport au champ magnétique que la ruche mère, orientation qu'elles ont donc mémorisée.
4/ Les abeilles qui vivent dans le noir à l'intérieur de la ruche ont quand même un rythme circadien, alors qu'elles ne perçoivent pas l'alternance jour-nuit puisqu'elles ne vont pas à l'extérieur. Il est réglé par les variations quotidiennes régulières du champ magnétique terrestre, ce qui est confirmé par l'application d'un champ anormalement fort qui perturbe leur rythme.
VI.6 Autres effets
Si, en plus du manque de lumière, les repères physiques font aussi défaut, il reste encore une solution aux abeilles, celle de s'orienter grâce au champ magnétique terrestre, qui conditionne la construction de la ruche, mais aussi les danses. En effet, en jouant artificiellement sur le champ magnétique, on a vu les abeilles orienter chaque fois leur danse vers les directions offertes par chaque champ créé… mais qui ne correspondaient pas avec une direction réelle de la nourriture.
Les phénomènes magnétiques influent aussi sur l'horloge interne des abeilles.
VI.7 Variations quotidiennes du CMT
La déclinaison magnétique est, en un point donné sur la surface de la Terre, l'angle formé entre la direction du pôle Nord géographique et le Nord magnétique (il s'agit donc d'un angle sur le plan horizontal du point d'observation). Cet angle est compté positivement vers l'est et négativement vers l'ouest. La déclinaison varie, et sa variation sur 24h est plus facile à détecter s’il y a une faible activité solaire. On l'appelle « Solar quiet » ou Sq variation. Les courants ionosphériques sont responsables de la Sq variation durant l’été dans l’hémisphère nord.
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Les courants ionosphériques sont aussi responsables des variations de l’intensité du champ magnétique.
Ci-dessous, Magnétogramme du 1er Juin 2014 de Chambon-la-Forêt. H, D et Z sont les trois composantes du champ magnétique fournies par le magnétomètre vectoriel. F est l’intensité totale du champ fournie par le magnétomètre scalaire. Fs-Fv est l’intensité totale du champ fournie par le magnétomètre scalaire moins l’intensité totale du champ fournie par le magnétomètre vectoriel. (Valeurs en nT affichées chaque minute).
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Principe des mesures absolues. Dans le pavillon des mesures absolues (bâtiment à gauche), l’opérateur vise une cible dont la direction par rapport au Nord géographique est connue. La cible est fixée sur le bâtiment au-dessus de la cave où se situent les magnétomètres vectoriels et scalaires. Un magnétomètre fixé sur le théodolite nous permet de mesurer la déclinaison (représentée en bas à droite pour l’année 2004) et l’inclinaison du champ. Ces données sont utilisées pour calibrer les données mesurées par le magnétomètre vectoriel. La courbe des corrections appliquées s’'appelle la ligne de base.
Institut de physique du globe de Paris: Dans tout l’espace, autour et à l’intérieur de la Terre se trouve un champ magnétique. Plusieurs phénomènes naturels ou artificiels se somment et constituent le champ magnétique total, qui varie constamment selon les variations des sources qui le génèrent. GÉODYNAMO: effet de dynamo dû aux mouvements de convection dans le noyau terrestre - LITHOSPHÈRE: Une petite partie du champ magnétique terrestre provient des roches aimantées de la croûte terrestre. - IONOSPHÈRE: La radiation solaire X et UV est absorbée dans les couches les plus hautes de l’atmosphère, où des couples ion-électron sont produits du côté de la Terre illuminé par le soleil. Ces particules libres produisent des courants électriques autour de 100 km d’altitude, responsables de la variation diurne du champ magnétique. - MAGNÉTOSPHÈRE: La partie la plus externe du champ magnétique terrestre est exposée au vent solaire, un flux de particules chargées émis constamment par le soleil. Les courants électriques magnétosphériques provoquent eux aussi des variations du champ magnétique observé au sol. - DÉRIVE DES PÔLES MAGNÉTIQUES: Les pôles magnétiques Nord et Sud, définis comme les points à la surface de la Terre où le champ magnétique est exactement vertical, ne sont pas exactement antipodaux. Le pôle magnétique Nord se trouve dans le grand Nord Canadien, tandis que le pôle magnétique Sud se trouve au large de la base française de Dumont d’Urville en Antarctique. La variation séculaire du champ magnétique terrestre se traduit par une lente dérive des pôles magnétiques. Ainsi le pôle magnétique Nord se déplace actuellement à la vitesse de 55 km/an vers la Sibérie. -
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Schéma extrait d'un logiciel de calcul en ligne du champ magnétique terrestre pour un lieu donné Les sept composantes du champ magnétique terrestre indiquées sur le schéma ci-contre sont:
Les valeurs sont exprimées en nT (nanoTesla), deg (degrés) et min (minutes) par an. |
En ce qui concerne l'inclinaison du champ magnétique terrestre, certains insectes et certains oiseaux migrateurs sont capables de la percevoir, une réaction chimique se produisant à la surface de l'oeil par combinaison d'un phénomène lumineux et magnétique. Jusqu'à présent, il n'est pas prouvé que l'abeille y soit sensible, bien qu'elle soit dotée elle aussi de cryptochromes.
VII/ Autres repères d'orientation
VII.1 A distance : Les éléments du paysage (arbres, buissons, rochers, bâtiments…)
VII.2 Les odeurs, l'iridescence
VII.3 A proximité : Les couleurs et les formes des fleurs
VII.4 Pour le retour : Les formes et couleurs des ruches, leurs dispositions et orientations respectives, leur insertion dans le paysage
VII.1 A distance : Les éléments du paysage (arbres, buissons, rochers, bâtiments…)
Quand le ciel est totalement couvert, et alors que la lumière polarisée n'est plus accessible, les ouvrières continuent de travailler (à un rythme moins soutenu, cependant) et d'indiquer aux autres abeilles en dansant le bon angle entre les fleurs à butiner et le soleil. Il semblerait dans ce cas que les abeilles se servent de repères terrestres et font appel à leur mémoire pour se rappeler la position visible du soleil les jours précédents par rapport aux repères en question.
VII.2 Les odeurs, l'iridescence
Perception spatiale d'un message olfactif : Elles sont capables d'identifier le moindre principe actif d'une molécule odorante et diffusent elles-mêmes des substances qui sont autant de messages de sexualité, d'alarme ou de marquages. Le parfum des fleurs est d'ailleurs un des éléments d'attraction des insectes. L'organe de l'odorat chez les abeilles est situé dans le flagelle (ou fouet) de chaque antenne. Le flagelle comporte 10 articles chez la reine et l’ouvrière, 11 articles chez le faux-bourdon. A son extrémité se trouvent des structures sensorielles:
VII.3 A proximité : Les couleurs et les formes des fleurs
Les abeilles sont attirées par l'iridescence des fleurs. Il s'agit d'un phénomène optique qui provient de la structure de l'objet regardé (ici, les pétales). En fonction de l'angle de vue, elles perçoivent l'objet d'une couleur différente. Cette propriété les attire davantage que les couleurs pigmentaires. L'empilement complexe de ces microstructures (des couches d'écailles elles-mêmes composées de stries) permet de renvoyer la lumière avec une longueur d'onde différente pour chaque direction. Ainsi, en fonction de l'angle de vue, la longueur d'onde - et donc la couleur - qui est renvoyée à l'observateur est différente. Ci-dessous, les élytres de l'Hoplie bleue sur laquelle s'est posée une mouche sont iridescentes.
ATTENTION ! Une abeille peut explorer un point sur une superficie de 7200 hectares autour de sa ruche. D'où le danger d'employer des pesticides dans les environs d'un rucher ! - Photo ci-dessous: Mouche sur une Hoplie bleue (Aldudes)-
VII.4 Pour le retour : Les formes et couleurs des ruches, leurs dispositions et orientations respectives, leur insertion dans le paysage
Pour finir, voici les résultats d'une dernière expérience qui met en évidence non l'orientation, mais la désorientation des abeilles: c'est le phénomène de la dérive. Elle a été réalisée en Provence, dans des champs de lavande. Les apiculteurs qui font de l'élevage intensif s'aperçoivent que le plus tue le mieux, comme nous allons aussi le constater. L'équipe de recherche a installé des ruches parfaitement identiques en deux rangs au milieu d'un champ de lavande immense, avec des fleurs de tous côtés. Chaque alignement est repéré par quatre lettres représentant un groupe de ruches dont on va examiner la production comparée. - Schémas extraits de l'étude : J. Fresnaye. Les erreurs d'orientation des abeilles (dérive) dans le rucher moderne. Les Annales de l’Abeille, INRA Editions, 1963, 6 (3), pp.185-200 (hal-00890176) -
La dérive : Expérience 1
Les deux tableaux ci-dessous montrent pour chaque ruche de chacun des groupes la surface de couvain (en bas) et le rendement en miel (en kg, en haut) sur une année. Il est aisé de constater que les ruches situées au milieu de chaque alignement ont un gros souci, celui-ci étant le plus dramatique au deuxième rang (F, D). Deux essaims sont carrément morts, 8 essaims n'ont pas produit de miel en excédent (tout a été consommé par l'essaim ou les ruches ont été pillées par les abeilles d'autres ruches), et inversement, les ruches placées aux extrémités ont un couvain important, ainsi qu'une bonne, voire excellente production de miel. Que s'est-il passé ? N'ayant aucun repère pour s'orienter, les abeilles des ruches du milieu ont tendance à se perdre, à ne pas retrouver l'emplacement de leur ruche et elles se dirigent alors préférentiellement vers les ruches des extrémités du rang. Là, il y a deux solutions: ou elles se font tuer, car elles ne font pas partie de la famille, ou elles sont acceptées comme main d'oeuvre excédentaire car la ruche est très dynamique avec un essaim important et beaucoup de bouches à nourrir.
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Dans une deuxième configuration, le seul changement, ce sont les quelques repères dans l'environnement proche des ruches, arbustes, tas de pierres, champ inculte et une orientation différente par rapport au vent dominant et aux points cardinaux.
La dérive : Expérience 2
Cette fois, un seul essaim est mort, les couvains et la production de miel sont beaucoup moins contrastés et plutôt mieux, globalement, que dans la configuration précédente.
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Enfin, la dernière configuration est la plus naturelle, avec de nombreux repères bien visibles à l'arrière des ruches, une butte qui protège du vent dominant, une entrée des ruches orientées au nord-est, un seul rang de ruches.
La dérive : Expérience 3
Là, les chiffres parlent d'eux-mêmes: les abeilles ne sont pas perturbées, les surfaces de couvain sont généralement bonnes, et la production de miel excellente. Il n'y a pas de phénomène de dérive.
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Miellées Pour lutter contre la dérive : |
Epilogue
Pour réaliser cette étude, je me suis documentée en lisant beaucoup d'articles scientifiques dont les auteurs partaient tous du principe que le vivant peut être expliqué, à condition de trouver les "mécanismes" qui sont à l'oeuvre. En parallèle, pour me détendre, je me suis plongée dans la lecture stimulante du livre "L’homme végétal – Pour une autonomie du vivant",
de Gérard Nissim Amzallag (Ed. Albin Michel) que je recommande chaleureusement. Il a aussi écrit "La raison malmenée, De l'origine des idées reçues en biologie moderne" (CNRS Editions). Il conteste le rôle prééminent attribué aux gènes et propose un fonctionnement beaucoup plus souple et une faculté d'adaptation du vivant qui ne repose pas sur le hasard de séries de mutations aussi heureuses que miraculeuses. C'est aussi une critique du Darwinisme fort intéressante. De façon plus complète, Jean Staune, dans son livre "Au-delà de Darwin, Pour une autre vision de la vie", passe en revue les divers courants scientifiques actuels qui étudient le phénomène du vivant. A méditer...
Au centre de documentation du museum d'histoire naturelle de la Plaine d'Ansot à Bayonne, un livre magnifique peut être emprunté : Les routes du miel, de Eric Tourneret et Sylla de Saint Pierre aux Editions Hozhoni.
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Poliste méridionale
