Certaines espèces de crevettes-mantes possèdent 16 types de photorécepteurs, voire plus. Les humains en ont normalement trois. La conclusion évidente est que les crevettes-mantes perçoivent un monde visuel bien plus riche que tout ce que nous pouvons imaginer. Cette conclusion est fausse, et comprendre pourquoi révèle quelque chose de fondamental sur le fonctionnement réel de la vision des couleurs chez les animaux.
Le mythe des photorécepteurs
Au début des années 2010, une bande dessinée en ligne populaire a contribué à répandre l’idée que les crevettes-mantes percevaient des couleurs au-delà de la compréhension humaine. Cette affirmation est devenue courante dans la vulgarisation scientifique : plus un animal possède de photorécepteurs, plus son expérience des couleurs est riche.
Des chercheurs de l’Université du Queensland ont décidé de vérifier cette hypothèse. Dans une étude publiée en 2014 dans Science, Hanne Thoen et ses collègues ont entraîné des crevettes-mantes à associer certaines longueurs d’onde à des récompenses alimentaires, puis ont mesuré leur capacité à distinguer des couleurs à différentes séparations de longueurs d’onde. Les résultats ont contredit l’affirmation virale : les seuils de discrimination comportementale se situaient entre 12 et 25 nm environ, bien moins précis que la discrimination trichromatique humaine dans des conditions optimales.[s][s]
Il s’agit là d’une explication populaire qui inverse la réalité scientifique. L’animal doté de bien plus de types de photorécepteurs était surpassé en discrimination des couleurs par un animal n’en possédant que trois.
Pourquoi plus de récepteurs peut signifier moins de précision
La vision des couleurs chez les animaux ne dépend pas du nombre de photorécepteurs présents dans l’œil, mais de la manière dont le cerveau traite les signaux envoyés par ces récepteurs. Les humains utilisent un système appelé codage des couleurs par processus antagonistes. Le cerveau compare les signaux des trois types de cônes entre eux : rouge contre vert, bleu contre jaune, clair contre foncé. Ces comparaisons sont continues et détectent de minuscules variations dans l’équilibre d’activation des cônes.
Les couleurs que nous percevons résultent d’un calcul, d’une comparaison des entrées provenant des différents cônes. Les neurones additionnent et soustraient littéralement les signaux des cônes pour construire des « canaux antagonistes ».[s] C’est pourquoi trois types de récepteurs suffisent à une discrimination fine des couleurs.
Les crevettes-mantes fonctionnent différemment. Leurs classes de récepteurs chromatiques semblent moins servir d’entrées pour une comparaison par processus antagonistes que comme une batterie de filtres spectraux étroits.[s] Au lieu de calculer des gradations fines, le cerveau de la crevette-mante semble lire quels filtres sont activés, comme s’il scannait un code-barres spectral. Ce système privilégie peut-être la vitesse à la précision. Dans l’environnement chaotique des récifs où chassent les crevettes-mantes, la reconnaissance rapide des proies et des menaces compte davantage que la distinction entre des nuances de bleu légèrement différentes.
Ce que voient vraiment les crevettes-mantes
Démystifier le mythe de la richesse chromatique ne doit pas occulter ce qui rend la vision des crevettes-mantes véritablement extraordinaire. Elles détectent la lumière ultraviolette, normalement filtrée par le cristallin humain, étendant ainsi leur spectre visible à des longueurs d’onde que nous ne percevons pas.[s]
Plus remarquable encore, les crevettes-mantes peuvent détecter la polarisation circulaire, une capacité visuelle rare, mieux documentée chez les stomatopodes. Certaines espèces réfléchissent également la lumière polarisée circulairement, ce qui pourrait créer un canal de communication privé pour d’autres stomatopodes, invisible pour de nombreux autres animaux.[s]
L’histoire inscrite dans nos yeux
La vision des couleurs humaine porte la marque d’un goulot d’étranglement évolutif. Les premiers vertébrés possédaient un large éventail d’opsines coniques permettant une vision tétrachromatique ou trichromatique. Cependant, au cours de l’ère mésozoïque, les mammifères ancestraux ont traversé un goulot d’étranglement nocturne, avec une réduction de la diversité des cônes et un système visuel principalement basé sur les bâtonnets, donc dichromatique.[s]
Pendant une grande partie du Mésozoïque, de nombreux ancêtres des mammifères occupaient des niches nocturnes. Ils n’avaient pas besoin d’une vision des couleurs élaborée pour survivre dans la pénombre. Deux types de cônes suffisaient. Lorsque certaines lignées de mammifères sont finalement revenues à une activité diurne, la plupart ont conservé cet héritage dichromatique. Les chiens, les chats et la majorité des mammifères voient encore le monde dans la même palette limitée que leurs ancêtres mésozoïques.
Les primates ont emprunté une voie différente. Par évolution génétique, ils ont développé une vision trichromatique en ajoutant des opsines sensibles aux longueurs d’onde moyennes, responsables des verts, ce qui a permis une perception visuelle plus riche.[s] Cette réévolution de la vision des couleurs s’est produite par duplication génique et divergence spectrale, un exemple de la manière dont l’évolution façonne les systèmes sensoriels en fonction des besoins écologiques. Le résultat a probablement favorisé la détection des fruits mûrs sur un fond de feuillage vert, un avantage pour les primates arboricoles.
Quand perdre des couleurs devient un atout
Tous les systèmes de vision des couleurs animaux n’ont pas suivi la voie de l’ajout de récepteurs. Les requins illustrent le contraire : ils ont perdu leur capacité à voir la lumière bleue et violette, et cette perte s’est avérée adaptative.
Les poissons cartilagineux ancestraux n’ont conservé que le gène de l’opsine conique sensible à la lumière verte et celui de l’opsine sensible aux grandes longueurs d’onde, tous les poissons cartilagineux ayant perdu les opsines sensibles aux courtes longueurs d’onde SWS1 et SWS2.[s] Des recherches utilisant des modèles de poissons-zèbres ont révélé pourquoi : en présence de SWS1 et SWS2, la lumière bleue et violette peut induire un vieillissement cellulaire, suivi d’un amincissement de la couche des photorécepteurs. Cette perte contribue à prévenir les dommages causés par les courtes longueurs d’onde à l’œil.[s]
Aujourd’hui, la plupart des requins sont probablement des monochromates coniques, incapables de percevoir les couleurs.[s] Dans les eaux profondes ou troubles où leur tapetum lucidum amplifie la lumière disponible, l’information chromatique a moins de valeur pour la survie que la maximisation de la sensibilité à la lumière.
Le requin du Groenland a poussé cette adaptation plus loin. Adapté aux habitats arctiques marins exceptionnellement sombres et doté d’une longévité pouvant atteindre 400 ans, cette espèce conserve une vision fonctionnelle basée sur les bâtonnets pour la pénombre, mais de nombreux gènes de la vision conique diurne sont devenus des pseudogènes et ne sont plus exprimés.[s] L’évolution a éliminé ce qui n’était pas nécessaire.
Les limites de la tétrachromatie humaine
Si la vision des couleurs chez les animaux dépend autant du traitement neuronal que du nombre de récepteurs, les humains pourraient-ils étendre leur perception des couleurs ? La génétique suggère une possibilité étroite. La tétrachromatie signifie qu’un système visuel repose sur quatre types de cônes. Chez l’humain, cette possibilité n’existe que chez les femmes, car les gènes des opsines L et M se trouvent sur le chromosome X, et les femmes en possèdent deux.[s]
Les femmes porteuses d’un gène d’opsine normal et d’une variante décalée pourraient, en théorie, exprimer quatre types de cônes distincts. Des chercheurs ont testé 24 femmes présentant cette configuration génétique. Une seule a montré des signes clairs d’utilisation des quatre cônes dans la perception des couleurs.[s] Le système de traitement visuel du cerveau, évolué pour trois entrées, n’exploite pas automatiquement une quatrième. Le matériel seul ne détermine pas la fonction.
Des crevettes à la chirurgie
La véritable leçon de la vision des couleurs chez les animaux trouve des applications pratiques. Des chercheurs ont mis au point une caméra imitant la capacité des crevettes-mantes à séparer plusieurs longueurs d’onde de lumière dans un espace compact. En capturant la lumière ultraviolette, visible et proche infrarouge sur une seule puce, ce dispositif bio-inspiré est conçu pour localiser les ganglions lymphatiques tout en indiquant si un tissu semble suspect pendant une opération.[s]
Lors de tests ex vivo sur des échantillons de cancer du sein, couvrant 94 ganglions lymphatiques de 33 patientes, la lecture ultraviolette de la caméra a identifié les ganglions cancéreux avec une sensibilité de 97 % et une spécificité de 89 %.[s] L’approche inspirée des crevettes-mantes, moins utile pour apprécier les dégradés de couleurs, montre des promesses pour une classification tissulaire rapide, bien que le système rapporté n’ait pas encore été testé sur un organisme vivant.
Comprendre comment différentes espèces résolvent le problème de l’extraction d’informations à partir de la lumière, plutôt que de supposer que plus de récepteurs signifie une meilleure vision, conduit à des technologies qui travaillent avec la biologie plutôt que contre elle. La prochaine fois que vous entendrez dire qu’un animal perçoit des couleurs au-delà de l’imagination humaine, demandez-vous plutôt : quel calcul ce système visuel effectue-t-il, et quel problème résout-il ?
Le mythe des photorécepteurs
Au début des années 2010, une bande dessinée en ligne populaire décrivait les crevettes-mantes (stomatopodes, en particulier Odontodactylus scyllarus) comme percevant des couleurs au-delà de la compréhension humaine. Cette affirmation est devenue courante dans la vulgarisation scientifique : plus un animal possède de photorécepteurs, plus son expérience des couleurs est riche.
Thoen et al. (2014) ont soumis cette idée à des tests comportementaux rigoureux dans une étude publiée dans Science. Ils ont entraîné des crevettes-mantes à associer des longueurs d’onde spécifiques à des récompenses alimentaires, puis ont mesuré leurs seuils de discrimination. Les seuils comportementaux de discrimination des longueurs d’onde se situaient entre 12 et 25 nm environ, bien moins précis que la discrimination trichromatique humaine dans des conditions optimales.[s][s]
Il s’agit là d’une explication populaire qui inverse la réalité scientifique. L’animal doté de bien plus de types de photorécepteurs était surpassé en discrimination des couleurs par un animal n’en possédant que trois.
Traitement antagoniste versus codage spectral
La vision des couleurs chez les animaux dépend du traitement neuronal appliqué aux signaux des photorécepteurs, et non du nombre de récepteurs. La vision humaine utilise un codage des couleurs par processus antagonistes, décrit pour la première fois par Ewald Hering en 1878 et confirmé neurophysiologiquement au milieu du XXe siècle. Les trois types de cônes (S, M, L, avec des sensibilités maximales à environ 420 nm, 530 nm et 560 nm) alimentent trois canaux antagonistes : L-M (rouge-vert), S-(L+M) (bleu-jaune) et L+M (luminance).
Les couleurs que nous percevons résultent d’un calcul, d’une comparaison des entrées provenant des différents cônes. Les neurones additionnent et soustraient littéralement les signaux des cônes pour construire des « canaux antagonistes ».[s] Ces signaux de différence sont continus, permettant la détection de minuscules variations de longueur d’onde.
Les crevettes-mantes utilisent une architecture fondamentalement différente. Leurs classes de récepteurs chromatiques semblent moins servir d’entrées pour une comparaison par processus antagonistes que comme une batterie parallèle de filtres spectraux étroits.[s] Chaque classe de récepteurs chromatiques possède une courbe de réponse étroite et s’active lorsque sa bande de longueur d’onde spécifique est présente. Au lieu de calculer des gradations fines, le cerveau des stomatopodes semble lire quels filtres sont activés. Ce système de code-barres spectral privilégie peut-être la résolution temporelle à la précision spectrale, une optimisation pour l’environnement dynamique et turbulent des récifs où l’identification rapide des proies compte davantage que la précision des longueurs d’onde.
Les véritables spécialisations visuelles des stomatopodes
Démystifier le mythe de la richesse chromatique ne doit pas occulter les véritables prouesses visuelles des crevettes-mantes. Leurs classes de récepteurs sensibles aux ultraviolets étendent leur sensibilité à des longueurs d’onde comprises entre 300 et 400 nm environ, en dessous de la gamme normalement accessible à la vision humaine.[s]
Plus remarquable encore, les stomatopodes peuvent détecter la polarisation circulaire, une capacité visuelle rare, mieux documentée dans ce groupe. Certaines espèces réfléchissent également la lumière polarisée circulairement, ce qui pourrait créer un canal de communication privé pour d’autres stomatopodes, invisible pour de nombreux autres animaux.[s]
Le goulot d’étranglement nocturne et la diversité des opsines
La vision des couleurs humaine porte la marque du goulot d’étranglement nocturne du Mésozoïque. Les premiers vertébrés possédaient un large éventail d’opsines coniques permettant une vision tétrachromatique ou trichromatique. Cependant, au cours de l’ère mésozoïque, les mammifères ancestraux ont traversé un goulot d’étranglement nocturne, avec une réduction de la diversité des cônes et un système visuel principalement basé sur les bâtonnets, donc dichromatique.[s] Les opsines SWS2 (sensibles au bleu) et RH2 (sensibles au vert) ont été perdues, ne laissant que SWS1 et M/LWS.
Chez les primates, la vision trichromatique est réapparue indépendamment par duplication génique et divergence spectrale de l’opsine sensible aux longueurs d’onde moyennes/longues (M/LWS), marquant une transition évolutive majeure vers une vision des couleurs de haute acuité dans des conditions de lumière diurne.[s] Cet événement de duplication chez les primates catarhiniens illustre la manière dont l’évolution façonne les systèmes sensoriels. Les gènes OPN1MW et OPN1LW se trouvent désormais adjacents sur le chromosome X, partageant près de 98 % d’identité de séquence, ce qui explique la prévalence du daltonisme rouge-vert par recombinaison inégale.
Perte adaptative des opsines chez les élasmobranches
Les requins démontrent que l’optimisation évolutive peut procéder par soustraction. Les chondrichtyens ancestraux n’ont conservé que le gène de l’opsine conique sensible à la lumière verte (rh2) et celui de l’opsine sensible aux grandes longueurs d’onde (lws), tous les poissons cartilagineux ayant perdu sws1 et sws2.[s]
Des modèles de poissons-zèbres avec inactivation de SWS ont révélé le mécanisme : en présence de SWS1 et SWS2, la lumière bleue et violette peut induire un vieillissement cellulaire, suivi d’un amincissement de la couche des photorécepteurs. Cette perte contribue à prévenir les dommages causés par les courtes longueurs d’onde à l’œil.[s] Cet avantage sélectif, combiné au tapetum lucidum amplificateur de lumière qui rend la diversité chromatique moins critique, a peut-être favorisé la perte de SWS.
Les requins (Selachii) n’ont conservé que rh1 et un gène d’opsine conique ; ils pourraient donc être des monochromates coniques, incapables de percevoir les couleurs.[s] Les raies (Batoidea) conservent rh2 et lws, ce qui leur confère une possible dichromatie.
Le requin du Groenland (Somniosus microcephalus) représente un cas extrême en eaux profondes. Une analyse génomique et transcriptomique a révélé que les gènes de la vision en lumière tamisée (basée sur les bâtonnets) sont intacts et fortement exprimés, tandis que de nombreux gènes de la vision diurne (basée sur les cônes) sont devenus des pseudogènes et/ou ne sont plus exprimés.[s] Le seul gène d’opsine visuelle fonctionnel, rh1, reste intact, tandis que rh2, gnat2, pde6c, cnga3 et cngb3 montrent des signes de pseudogénisation.[s] Dans les habitats arctiques marins exceptionnellement sombres, les gènes de la vision photopique deviennent superflus.
Contraintes de la tétrachromatie humaine
Si la vision des couleurs chez les animaux dépend autant du traitement neuronal que du nombre de récepteurs, les humains pourraient-ils étendre leur dimensionnalité perceptive ? La génétique suggère une possibilité étroite. La tétrachromatie signifie qu’un système visuel repose sur quatre types de cônes. Chez l’humain, cette possibilité n’existe que chez les femmes, car les gènes des opsines L et M se trouvent sur le chromosome X, et les femmes en possèdent deux.[s]
Les femmes hétérozygotes pour une trichromatie anormale peuvent exprimer S, M, L normal et L ou M spectralement décalé, un système théorique à quatre canaux. Jordan et al. (2010) ont testé comportementalement 24 femmes présentant ce génotype. Une seule a montré des signes clairs d’utilisation des quatre cônes dans la perception des couleurs.[s] Le cortex visuel, ayant évolué pour un traitement à trois canaux, n’exploite pas automatiquement des canaux supplémentaires. L’architecture neuronale limite la perception au-delà du simple nombre de récepteurs.
Cette contrainte se manifeste également dans les différences sexuelles de discrimination des couleurs. Sous une pression temporelle modérée, les femmes surpassent les hommes de 19,889 à 29,926 points en scores d’erreurs totaux lors de tests de discrimination des couleurs, les auteurs interprétant ce résultat dans un cadre incluant la variation des photopigments, la plasticité dépendante de l’expérience et les stratégies de décision.[s]
Imagerie multispectrale bio-inspirée
Comprendre les mécanismes de la vision des couleurs chez les animaux permet l’ingénierie biomimétique. Gruev et al., à l’Université de l’Illinois, ont développé une caméra inspirée de l’architecture multispectrale des crevettes-mantes. Le dispositif capture la lumière ultraviolette, visible et proche infrarouge sur une seule puce grâce à des filtres au niveau des pixels et des couches de détection de lumière empilées.[s]
Lors de tests ex vivo sur des échantillons de cancer du sein couvrant 94 ganglions lymphatiques de 33 patientes, la lecture ultraviolette de la caméra a identifié les ganglions cancéreux avec une sensibilité de 97 % et une spécificité de 89 %.[s] L’approche par code-barres spectral, moins utile pour apprécier les dégradés de couleurs, montre des promesses pour une classification tissulaire rapide, bien que le système rapporté n’ait pas encore été testé sur un organisme vivant.
La leçon translationnelle : comprendre quel calcul effectuent différents systèmes visuels, plutôt que de supposer que plus de récepteurs signifie une meilleure vision, conduit à des technologies qui exploitent les stratégies d’optimisation biologique. La recherche sur la vision des couleurs chez les animaux révèle non pas une hiérarchie de richesse, mais une diversité de solutions, chacune adaptée à des contraintes écologiques et computationnelles spécifiques.
