Comment les oiseaux migrateurs
ne perdent-ils jamais le nord ?
Certains oiseaux parcourent des milliers de kilomètres pour revenir, l'année suivante, dans le même jardin. Sans carte, sans parents pour les guider, un individu peut atteindre sa destination dès son tout premier voyage. Les oiseaux superposent plusieurs indices, et l'un d'eux serait carrément de « voir » le champ magnétique terrestre.
L'hirondelle rustique arrive au Japon au printemps et repart vers l'Asie du Sud-Est à l'automne. On sait qu'elle revient l'année suivante sous l'avant-toit exact de la même maison.
La sterne arctique, elle, navigue entre l'Arctique et l'Antarctique. Sa distance parcourue par an se compte en dizaines de milliers de kilomètres. Des individus suivis par balise ont dépassé les 90 000 km.
Plus étrange encore : chez certaines espèces, les jeunes ne volent pas avec leurs parents. Seuls les jeunes partent, plus tard, seuls, vers une terre qu'ils n'ont jamais vue. Sans que personne ne le leur ait appris.
Il leur arrive de voler toute la nuit au-dessus d'un océan sans aucun repère visuel. Sur quoi s'appuient-ils ?
La position du soleil, la disposition des étoiles, le champ magnétique terrestre, les odeurs, le relief. Si l'un de ces indices manque, un autre prend le relais. Rien ne repose sur un seul mécanisme.
Une boussole n'indique que la direction. Sans carte, impossible de revenir sur ses pas en cas d'erreur. Les jeunes oiseaux et les oiseaux expérimentés ne disposent pas des mêmes outils.
Et la façon dont ils perçoivent le champ magnétique renferme une énigme non résolue à ce jour. Voyons cela dans l'ordre.
Des indices, il y en a plusieurs
Les oiseaux migrateurs ne misent pas sur une seule méthode. Ils utilisent tout ce qui est disponible, et changent selon la situation.
- La position du soleil ― mais le soleil se déplace, donc sans connaître l'heure, impossible d'en déduire une direction. Les oiseaux couplent cet indice à leur horloge interne. Des expériences où l'on décale artificiellement cette horloge montrent que la direction de vol se décale exactement comme prévu
- La rotation des étoiles ― la nuit, le ciel étoilé tourne autour d'un point fixe, situé au nord. Ce « centre de rotation » indique le nord. Des expériences en planétarium ont montré que les jeunes oiseaux apprennent cela : élevés sous un ciel tournant artificiellement, ils retiennent ce centre comme étant le nord
- Le champ magnétique terrestre ― utilisable de jour comme de nuit, même par temps couvert. Et il ne donne pas seulement la direction : il renseigne aussi sur la latitude (voir plus loin)
- Les odeurs et le relief ― mémoriser l'odeur de son lieu de naissance, suivre une rivière ou un littoral : ces indices seraient également utilisés
C'est un système redondant. Si un mécanisme tombe en panne, l'ensemble continue de fonctionner. Vu ce qui est en jeu, cette redondance n'a rien d'étonnant.
Le champ magnétique ne donne pas que la direction : il indique aussi la « latitude »
Une boussole classique pointe vers le nord. Mais le champ magnétique terrestre porte une information supplémentaire : l'angle que forment les lignes de champ avec le sol.
Près de l'équateur, les lignes de champ sont presque horizontales. Plus on approche des pôles, plus elles plongent, presque à la verticale. Mesurer cet angle permet donc de savoir approximativement à quelle latitude on se trouve.
En réalité, la boussole magnétique des oiseaux ne lirait pas « où est le nord » mais « où est le pôle ». Elle ne distinguerait pas le pôle nord magnétique du pôle sud magnétique, mais déduirait, à partir de l'inclinaison des lignes de champ, quel côté est polaire et lequel est équatorial. Le principe diffère de celui de la boussole humaine.
Cette différence peut se vérifier. En inversant en laboratoire le sens vertical du champ magnétique, l'oiseau confond le nord et le sud. Une boussole ordinaire, elle, ne changerait pas de direction sous cette manipulation.
Elle lit le côté du pôle, à partir de l'inclinaison des lignes de champ.
Boussole et carte sont deux choses distinctes
Une distinction essentielle s'impose ici. « Connaître la direction » et « connaître sa position actuelle » sont deux choses totalement différentes.
Entrer en forêt avec pour seul outil une boussole ne permet pas de revenir en cas d'égarement. Connaître le nord ne suffit pas : sans savoir où l'on se trouve, impossible de décider dans quelle direction avancer.
Une expérience classique existe. On capture un oiseau en pleine migration, puis on le transporte à plusieurs centaines de kilomètres de côté par rapport à sa route habituelle avant de le relâcher. Les résultats se répartissent alors en deux catégories (voir bas de la Fig. 1).
- Le jeune oiseau (à sa première migration) continue de voler dans la direction initiale et arrive à un autre endroit que prévu
- L'oiseau expérimenté corrige sa trajectoire et rejoint sa destination initiale
Autrement dit, le jeune oiseau part avec pour seul bagage une instruction innée du type « vole dans telle direction, pendant telle durée ». Dans la majorité des cas, cela suffit à atteindre la destination. L'oiseau expérimenté, lui, a acquis un moyen de savoir où il se trouve, ce qui lui permet de corriger les écarts.
Le premier voyage servirait à construire une carte, et les suivants à s'en servir. C'est du moins l'hypothèse retenue.
Le plus grand mystère ― comment perçoivent-ils le champ magnétique ?
Le mécanisme de perception du champ magnétique n'est toujours pas élucidé. Deux hypothèses dominent, chacune appuyée par des preuves. Il est possible que les deux soient utilisées à la fois.
Dans le bec, par exemple, se trouveraient de minuscules particules magnétiques qui, attirées par le champ, se déplaceraient et déclencheraient un signal nerveux. Un mécanisme proche, intuitivement, de la boussole classique.
Une protéine de l'œil, exposée à la lumière, déclencherait une réaction dont le déroulement serait légèrement modifié par le champ magnétique. Si cette hypothèse se vérifie, l'oiseau « verrait » littéralement le champ magnétique.
Plusieurs observations intéressantes appuient l'hypothèse B.
- La boussole magnétique des oiseaux ne fonctionne pas sans lumière. Elle ne marche même bien qu'avec certaines couleurs de lumière. Si la perception reposait sur de simples particules magnétiques, la lumière ne devrait jouer aucun rôle
- De très faibles ondes électromagnétiques à haute fréquence suffisent à brouiller le sens de l'orientation. Leur intensité est si faible qu'elle ne perturbe même pas une boussole ordinaire. Or, si le mécanisme implique une réaction dans l'œil, cette sensibilité à la perturbation s'explique
Cette idée d'une « réaction dont le déroulement change avec le champ magnétique » relève d'un phénomène de mécanique quantique, lié au comportement des électrons. Si un tel effet est réellement à l'œuvre dans un organisme vivant, c'est proprement remarquable. Mais la preuve qu'il sert réellement, dans le corps, à déterminer une direction, reste à apporter.
Ce qu'on peut vérifier dehors
- Choisissez une espèce migratrice locale (l'hirondelle rustique se voit du printemps à l'été, les canards et cygnes plutôt de l'automne à l'hiver)
- Notez chaque année la date de la première observation et celle de la dernière
- Si possible, observez si le même nid est réutilisé l'année suivante (fréquent chez l'hirondelle rustique)
- Comparez vos notes avec les relevés d'« observation phénologique du vivant » publiés depuis longtemps par l'Agence météorologique du Japon
Après quelques années, des avances ou des retards selon les années deviennent visibles. Les dates de migration dépendant de la température et de la durée du jour, ce relevé devient aussi un indicateur du changement climatique. Ne vous approchez pas trop d'un nid, ne touchez ni les œufs ni les oisillons. Des lois protègent la faune sauvage, et cela pourrait gêner la reproduction. Observez toujours à distance.
En résumé
Si les oiseaux migrateurs ne s'égarent pas, c'est parce qu'ils superposent plusieurs indices : soleil, étoiles, champ magnétique terrestre, odeurs. Le jeune part avec pour seul bagage une instruction innée de « direction et durée », et acquiert avec l'expérience un moyen de connaître sa position. Quant à la façon dont ils perçoivent le champ magnétique, elle reste, aujourd'hui encore, un mystère.
Les oiseaux ne « sentent » peut-être pas
le champ magnétique : ils le « voient ».
Un autre animal qui transmet une direction à ses congénères en s'appuyant sur la position du soleil : l'abeille et sa danse en huit, à découvrir dans notre article sur les abeilles. Pour un poisson qui, dans l'eau, voyage lui aussi grâce au champ magnétique terrestre, lisez Pourquoi le saumon retrouve-t-il la rivière où il est né ?
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres et liens avec les programmes scolairesDu collège aux sujets encore à l'étude, le niveau de chaque point est indiqué
- Collègenotions vues au collège en sciences
- Lycéenotions du tronc commun de physique-chimie / SVT au lycée
- Lycée＋notions de spécialité au lycée, ou encadrés/compléments des manuels
- Universiténotions non vues au lycée, relevant de disciplines spécialisées (biophysique, chimie quantique)
- Recherchece qui n'est même pas encore enseigné à l'université comme « établi » : des questions activement étudiées par les chercheurs
CollègeVocabulaire : migration et orientation
- Champ géomagnétique : le champ magnétique produit par la Terre. Il a la forme de celui d'un aimant droit placé au centre de la planète.
- Inclinaison magnétique : l'angle que forment les lignes de champ avec le plan horizontal. Environ 0° à l'équateur, environ 90° aux pôles. C'est ce que le texte appelle « l'inclinaison ».
- Boussole à inclinaison : un système qui ne distingue pas le nord du sud, mais déduit de l'inclinaison le côté polaire et le côté équatorial. C'est celui qu'utiliseraient les oiseaux.
- Agitation migratoire : comportement observé chez des oiseaux en captivité pendant la saison de migration, qui deviennent agités et cherchent à sauter dans une direction précise. Les chercheurs enregistrent cette direction pour étudier l'orientation.
- Expérience de déplacement : on transporte un oiseau loin de son trajet habituel avant de le relâcher, pour observer comment il vole. Une méthode pour vérifier s'il dispose d'une « carte ».
LycéePar le calcul : à quel point le champ magnétique lu par les oiseaux est-il faible ?
Tout indique que les oiseaux migrateurs utilisent le champ géomagnétique comme indice. Mais quelle est l'intensité de ce champ ? La comparaison avec un aimant du quotidien réserve une surprise.
| Intensité du champ magnétique terrestre | environ 50 microteslas ＝ 0,00005 T |
| Aimant de réfrigérateur | environ 5 millitesla ＝ 0,005 T |
| Rapport entre les deux | 0,005 ÷ 0,00005 ＝ 100 fois |
Le champ géomagnétique est cent fois plus faible que celui d'un aimant de réfrigérateur. Une intensité qui suffit tout juste à faire tourner l'aiguille d'une boussole.
Et dans cette faiblesse, l'oiseau lirait non seulement une direction, mais une information équivalente à « où est le nord ». Cette faiblesse même rend le mécanisme difficile à percer. Aimant interne ou réaction chimique sensible au champ : le débat continue.
Le champ géomagnétique n'est pas horizontal. Plus on va vers le nord, plus il plonge vers le sol. Cette inclinaison est liée à la latitude par une relation précise.
tan(inclinaison) ＝ 2 × tan(latitude)
| Inclinaison | angle du champ magnétique vers le sol［degrés］ |
| Latitude | angle depuis l'équateur［degrés］ |
| tan | fonction qui donne un rapport à partir d'un angle |
| Pour Tokyo (latitude 35°), tan(35) vaut | environ 0,70 |
| On multiplie par 2 | 2 × 0,70 ＝ 1,40 |
| L'angle dont le tan vaut cela | environ 54° |
À Tokyo, le champ géomagnétique pointe vers le bas avec un angle d'environ 54°. Presque en diagonale. Si la boussole indique l'horizontale, c'est parce que l'aiguille est conçue pour rester horizontale : le champ lui-même ne l'est pas.
C'est le point crucial. Mesurer l'inclinaison permet de connaître la latitude. 0° à l'équateur, 90° aux pôles. Le champ géomagnétique renseigne donc, en plus de la direction, sur « où l'on se trouve du nord au sud ». Sans carte ni GPS, cela pourrait fournir à un oiseau un indice de sa position en cours de migration.
※ Cette formule suppose que la Terre est un simple aimant droit. En réalité, le champ géomagnétique varie localement et évolue sur de longues périodes.
La sterne arctique, connue pour sa migration entre l'Arctique et l'Antarctique, parcourrait environ 70 000 km par an.
| En 1 an | 70 000 km |
| Sur une vie de 30 ans | 70 000 × 30 ＝ 2 100 000 km |
| Distance Terre-Lune | environ 380 000 km |
| Équivalent en allers-retours vers la Lune | 2 100 000 ÷ 380 000 ≒ 5,5 fois |
Sur une vie entière, cela représente cinq allers-retours et demi jusqu'à la Lune. Et souvent, sans que personne ne lui ait montré le chemin, dès le premier voyage.
Comme on l'a vu en ①, l'indice utilisé est cent fois plus faible qu'un aimant de réfrigérateur. Et c'est avec cela que l'oiseau parcourt une telle distance. Juste en mettant ces deux chiffres côte à côte, on mesure à quel point ce phénomène est extraordinaire.
LycéeLe champ géomagnétique et la migration en chiffres
| Intensité du champ géomagnétique | environ 25 à 65 microteslas (selon le lieu) |
| Aimant de réfrigérateur | quelques millitesla ＝ plus de 100 fois le champ géomagnétique |
| Inclinaison (près de l'équateur) | environ 0° (quasi horizontale) |
| Inclinaison (région du Japon) | environ 45 à 60° |
| Déplacement annuel de la sterne arctique | plusieurs dizaines de milliers de km (individus ayant dépassé 90 000 km rapportés) |
※ Le champ géomagnétique varie selon le lieu et l'époque. Valeurs représentatives.
On mesure ainsi à quel point le champ géomagnétique est faible. Un signal plus de cent fois plus faible qu'un aimant du quotidien : voilà ce que l'oiseau parvient à lire, tout en volant, en mouvement.
LycéeLycée＋Pourquoi la boussole solaire a besoin d'une horloge
Le soleil parcourt environ 360° dans le ciel en une journée, soit 15° par heure. Autrement dit, retenir « la direction du soleil = l'est » ne sert à rien sans connaître l'heure.
C'est pourquoi tout animal utilisant le soleil le combine forcément à une horloge interne. Une expérience permet de le vérifier : « décaler l'horloge ». En avançant artificiellement l'horloge interne de 6 heures via un cycle lumière-obscurité artificiel, la direction de vol se décale d'environ 90° (6 heures × 15°). Cet écart, exactement conforme à la prédiction, constitue une preuve solide de cette hypothèse.
La boussole stellaire, elle, ne nécessite pas d'horloge, car son centre de rotation indique le nord quelle que soit l'heure. Chaque indice a ses propres conditions d'utilisation.
UniversitéComment un champ magnétique peut-il modifier une réaction chimique ?
L'hypothèse B mentionnée plus haut porte le nom de mécanisme de la paire de radicaux. Le schéma général est le suivant.
- Une protéine de l'œil, la cryptochrome, absorbe la lumière
- Un électron se déplace, formant une paire de radicaux (molécules à électron non apparié)
- La relation entre les orientations de spin des deux électrons (état singulet et état triplet) oscille au cours du temps
- La vitesse de cette oscillation varie légèrement selon la direction et l'intensité du champ magnétique externe
- Il en résulte une variation de la proportion des produits finaux, qui constitue le signal
Le point important est que cet effet ne s'explique pas par l'énergie en jeu. L'énergie que le champ géomagnétique communique au spin d'un électron est bien inférieure à l'énergie thermique à température ambiante, et devrait normalement être noyée dans le bruit thermique. S'il opère malgré tout, c'est parce que la vitesse de la réaction dépend directement de l'état de spin lui-même. Ce qui est lu ici n'est pas une quantité d'énergie, mais un changement d'état quantique.
En 2021, une étude en éprouvette sur la cryptochrome d'un rouge-gorge migrateur a rapporté une variation de la réaction en fonction du champ magnétique. Une sensibilité plus élevée que chez des oiseaux non migrateurs a également été rapportée. Mais ceci reste un résultat obtenu en éprouvette : que le même phénomène se produise dans l'œil d'un oiseau vivant, et qu'il serve réellement à déterminer une direction, reste à démontrer.
RechercheDe nombreuses questions restent ouvertes
- L'organe récepteur du signal magnétique n'a toujours pas été identifié. Il existe l'hypothèse de l'œil et celle du bec, mais aucune structure n'a été confirmée avec certitude comme étant le récepteur. Des expériences de section nerveuse ou de manipulation génétique ont été menées, mais les résultats diffèrent parfois d'un laboratoire à l'autre, ce qui pose un problème de reproductibilité.
- Aucune preuve n'existe encore qu'un effet quantique opère réellement chez l'oiseau vivant. Un fossé important sépare les résultats en éprouvette du comportement d'un oiseau en vol. Le corps est chaud et désordonné, et la question centrale est de savoir si l'état de spin peut y être maintenu assez longtemps. Certains calculs théoriques jugent cela possible, mais l'observation directe reste difficile.
- La nature de la « carte » reste inconnue. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer comment un oiseau expérimenté connaît sa position : combinaison d'intensité et d'inclinaison du champ magnétique, répartition des odeurs, sons de basse fréquence. Aucune n'est décisive, et elles pourraient varier selon les espèces.
- L'influence des ondes électromagnétiques artificielles fait aussi débat. Certains rapports indiquent que le faible bruit électromagnétique des zones urbaines perturbe le sens de l'orientation des oiseaux, mais un consensus manque encore sur l'ampleur de cet effet et ses conséquences réelles sur la migration.
Le vol d'oiseaux que l'on observe chaque année porte en lui des questions qui rejoignent directement la physique de pointe.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・champ et lignes de champ magnétique／structure de la Terre／comportement animal | Champ géomagnétique, inclinaison, indices de migration |
| Lycée | Physique-chimie・champ magnétique／SVT・perception des stimuli et comportement | Comparaison des intensités de champ, expérience de décalage d'horloge |
| Lycée＋ | SVT・comportement animal (orientation)／physique・électron et champ magnétique | Programme inné et apprentissage, expérience de déplacement |
| Université | Biophysique・chimie quantique・chimie de spin | Mécanisme de la paire de radicaux, cryptochrome, états singulet et triplet |
| Recherche | Biologie quantique・éthologie (non résolu) | Identification du récepteur, preuve in vivo, nature de la carte |
- Wiltschko, W. & Wiltschko, R., Magnetic compass of European robins, Science 176, 62–64, 1972 (découverte de la boussole à inclinaison).
- Perdeck, A. C., Two types of orientation in migrating starlings, Ardea 46, 1–37, 1958 (expérience de déplacement).
- Emlen, S. T., Migratory orientation in the indigo bunting, The Auk 84, 1967 (étude de la boussole stellaire en planétarium).
- Xu, J. et al., Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird, Nature 594, 535–540, 2021 (sensibilité magnétique de la cryptochrome).
- Hore, P. J. & Mouritsen, H., The radical-pair mechanism of magnetoreception, Annual Review of Biophysics 45, 299–344, 2016 (revue de synthèse).
- Relevés d'observation phénologique du vivant de l'Agence météorologique du Japon (気象庁「生物季節観測」).
※ Les distances de déplacement et les valeurs de champ géomagnétique varient selon les individus et les lieux. Cet article présente des ordres de grandeur généralement cités.
※ Cet article propose une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Lors de l'observation d'oiseaux sauvages, ne vous approchez pas trop d'un nid ou d'un individu. Des lois protègent et encadrent la faune sauvage, et une approche trop proche peut nuire à la reproduction. Observez toujours à distance, en suivant les recommandations des autorités locales ou d'associations ornithologiques. Les valeurs chiffrées indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme.