Pourquoi les oiseaux et les papillons bleus sont-ils bleus ?
― Broyez la plume, et le bleu disparaît
Une plume rouge, une fois broyée, donne une poudre rouge. Mais une plume bleue donne une poudre terne, grise ou brune. La plupart des oiseaux et des papillons bleus n'ont aucun pigment bleu. Leur bleu n'est pas une « matière colorée » : il naît de formes si fines à l'intérieur de la plume qu'on ne peut pas les voir.
Au bord de la rivière, un martin-pêcheur s'envole d'une branche. Son dos brille d'un bleu de pierre précieuse. Le morpho d'Amérique du Sud, que vous avez vu dans un livre, resplendissait lui aussi d'un bleu métallique.
Mais ramassez dans un parc une plume bleue de geai et regardez-la par transparence, face à la fenêtre : le bleu a disparu, et elle paraît d'un brun sans éclat.
Si c'était de la couleur ajoutée, elle serait la même de tous les côtés. Pourquoi le bleu d'une plume s'efface-t-il selon l'angle de vue ?
Deux « formes » rendent le bleu visible
Les écailles du papillon contiennent plusieurs lamelles minces, séparées par du vide, dont l'épaisseur est proche de la longueur d'onde de la lumière. Seule la couleur dont les crêtes d'onde coïncident après réflexion sur chaque lamelle revient avec force.
Dans les plumes bleues du martin-pêcheur et d'autres oiseaux, on pense que des bulles d'air, des centaines de fois plus fines qu'un cheveu, sont serrées à intervalles presque réguliers. Seule la lumière bleue adaptée à cet intervalle se renforce et ressort.
Dans les deux cas, personne n'a étalé de matière colorée. La forme exploite une propriété de la lumière, qui est une « onde ». Détruisez la forme, et le bleu disparaît.
Le bleu du papillon : des lamelles qui alignent les « crêtes »
La lumière blanche du Soleil mélange des lumières de longueurs d'onde différentes, du rouge au violet. Une bulle de savon paraît irisée parce que la lumière réfléchie par la face avant et la face arrière du film se superpose, et que seule une couleur se renforce.
On pense que les écailles du morpho répètent cette structure en plusieurs couches. Regardez la figure 1. Quand l'écart entre les lamelles est bien réglé, la lumière bleue réfléchie par chaque lamelle ressort avec ses crêtes alignées. Pour la lumière rouge, crêtes et creux s'annulent et elle s'affaiblit.
Déplacez le curseur de la figure 1 vers la droite : la couleur passe du bleu au vert. On sait d'ailleurs que si l'on dépose de l'alcool sur l'aile d'un morpho, le vide se remplit d'alcool et le bleu tire vers le vert. En séchant, l'aile redevient bleue. C'est la meilleure preuve que la couleur est décidée par la « forme ».
Une couleur produite par des lamelles change avec l'angle de vue. Vue de biais, la lumière parcourt un autre chemin dans les lamelles. On pense que le cou des pigeons et les ailes des bupreste brillent de couleurs différentes selon l'angle grâce à un mécanisme de la même famille.
Le bleu des oiseaux : une éponge de bulles qui renforce « le bleu seul »
Martin-pêcheur, gobemouche bleu, rossignol bleu : on pense que les plumes des oiseaux bleus du Japon sont construites un peu autrement que celles du morpho. Dans les barbes de la plume, il y a une couche en forme d'éponge, remplie de petites bulles d'air, dont les écarts sont presque réguliers.
Ces bulles ne forment pas un réseau régulier : la couleur ne change donc guère avec l'angle. Pourtant, la lumière bleue qui correspond à l'écart des bulles se renforce, tandis que les autres couleurs s'annulent. Sous l'éponge se trouve une couche de pigment noir (la mélanine), qui absorbe la lumière en trop et fait ressortir le bleu, pense-t-on.
Regardez la figure 2. À gauche, la plume rouge doit sa couleur à un pigment : broyée, elle reste une poudre rouge. À droite, quand on broie la plume bleue, la forme en éponge est détruite, et il ne reste que le pigment noirâtre du dessous. Si elle paraît brune par transparence, c'est que l'on voit la lumière qui a traversé la plume, et non le bleu qui revient.
Comment les autres êtres vivants fabriquent-ils le bleu ?
Les oiseaux et les papillons ne sont pas les seuls à ne presque pas fabriquer de pigment bleu. Dans le monde animal, on pense que les pigments bleus se limitent à quelques papillons et poissons. Le bleu des grenouilles et des lézards vient lui aussi, le plus souvent, de l'agencement de fins cristaux.
Les plantes, elles, fabriquent le bleu avec des pigments. Le bleu du liseron ou de l'hortensia vient de pigments qui peuvent aussi être rouges ou violets, et que l'acidité du liquide cellulaire et leur liaison avec des métaux font virer au bleu. Les plantes aussi ont du mal à produire un bleu pur.
L'iris d'une personne aux yeux bleus contient simplement peu de pigment brun (la mélanine) ; il n'y a aucun pigment bleu. Les fines fibres de l'iris diffusent beaucoup de lumière bleue, comme le ciel, et l'œil paraît bleu. Le mécanisme diffère un peu de celui des oiseaux, mais l'idée est la même : le bleu naît de la forme et de la façon dont la lumière se disperse.
On pense que beaucoup d'oiseaux voient aussi l'ultraviolet, invisible pour l'être humain. Si les bulles ou les lamelles de la plume sont un peu plus rapprochées, la lumière renforcée est de l'ultraviolet. Une plume qui nous semble terne peut donc, pour d'autres oiseaux, former un motif bien visible.
Résumé
La plupart des oiseaux et des papillons bleus n'ont pas de pigment bleu. Dans leurs plumes et leurs écailles, des lamelles et des bulles aussi fines que la longueur d'onde de la lumière ne renforcent que la lumière bleue et la renvoient. Détruisez la forme, et le bleu disparaît. C'est une voie tout à fait différente de celle des plantes, qui fabriquent leur bleu avec des pigments.
Une plume bleue n'est pas peinte.
Sa forme aligne les « crêtes » des ondes de lumière.
Le mécanisme des couleurs d'un film est expliqué dans pourquoi les bulles de savon sont irisées, les poissons qui font un miroir avec le même empilement de lamelles dans pourquoi les sardines et les sabres brillent d'argent, et la diffusion de la lumière bleue dans pourquoi le ciel est bleu. Pour les pigments des plantes, voyez aussi l'article sur la couleur des fleurs.
- Regardez le cou d'un pigeon, devant la gare ou dans un parc, en changeant d'angle. Le vert et le violet semblent s'échanger. Avec un pigment, la couleur ne changerait pas avec l'angle.
- Si vous trouvez une plume bleue de geai ou de pie bleue, tenez-la face à la lumière. Si le bleu disparaît et qu'elle paraît brunâtre, c'est une couleur de forme.
- Tendez une solution savonneuse sur un anneau de fil de fer et regardez la couleur changer à mesure que le film s'amincit. Vous verrez que l'épaisseur seule décide de la couleur.
Ne touchez pas les plumes trouvées à mains nues : utilisez des gants ou un sac plastique, et lavez-vous les mains après l'observation. N'attrapez pas d'oiseaux sauvages et n'approchez pas de leurs nids.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéHors programme du lycée : cours universitaires (optique, biophysique)
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient en ce moment, non établies même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Couleur structurelle : couleur produite non par un pigment, mais par une structure fine, de la taille de la longueur d'onde, qui renforce ou diffuse la lumière.
- Couleur pigmentaire : couleur produite par une substance (un pigment) qui absorbe certaines lumières. Elle subsiste quand on broie.
- Interférence de la lumière : quand deux ondes lumineuses ou plus se superposent, elles se renforcent si leurs crêtes coïncident et s'affaiblissent si crête et creux se rencontrent.
CollègeLycéeVérification par la formule : quelle couleur l'écaille de papillon renvoie-t-elle ?
Dans une structure où lamelles et vides alternent, la couleur qui se renforce est celle pour laquelle la différence de chemin entre les lumières réfléchies par deux lamelles voisines vaut une longueur d'onde. Calculons la longueur d'onde renvoyée pour une lumière arrivant à la verticale.
| En symboles | λ ＝ 2 ×（ n1 × d1 ＋ n2 × d2 ） |
| En mots | longueur d'onde renforcée ＝ 2 ×（indice de la lamelle × épaisseur de la lamelle ＋ indice du vide × épaisseur du vide） |
| D'où vient-elle ? | Elle vient de la condition d'interférence (condition de Bragg d'un film multicouche) : quand le « chemin optique » d'un aller-retour sur une paire lamelle + vide vaut un nombre entier de longueurs d'onde, la lumière réfléchie par toutes les lamelles a ses crêtes alignées. |
| Symbole | Sens et unité |
|---|---|
| λ | Longueur d'onde de la lumière renforcée qui revient (nanomètres) |
| n1 | Indice de réfraction de la lamelle (chitine) (sans unité) |
| d1 | Épaisseur d'une lamelle (nanomètres) |
| n2 | Indice de réfraction de ce qui remplit le vide (air, etc.) (sans unité) |
| d2 | Épaisseur du vide (nanomètres) |
| Indice de réfraction de la chitine | environ 1,56 |
| Épaisseur de la lamelle (valeur supposée, du même ordre que celles rapportées pour le morpho) | 75 nanomètres |
| Indice de réfraction de l'air | 1,0 |
| Épaisseur du vide (valeur supposée) | 120 nanomètres |
| Indice de réfraction de l'éthanol | environ 1,36 |
| « Épaisseur pour la lumière » de la lamelle | 1,56 × 75 ＝ 117 |
| « Épaisseur pour la lumière » du vide d'air | 1,0 × 120 ＝ 120 |
| Une paire lamelle + vide | 117 ＋ 120 ＝ 237 |
| Longueur d'onde renforcée (×2 pour l'aller-retour) | 2 × 237 ＝ 474 |
| Quand le vide est rempli d'éthanol | 1,36 × 120 ＝ 163,2 |
| Une paire lamelle + vide (éthanol) | 117 ＋ 163,2 ＝ 280,2 |
| Longueur d'onde renforcée (éthanol) | 2 × 280,2 ＝ 560,4 |
Avec de l'air, on obtient environ 474 nanomètres, du bleu ; rempli d'éthanol, environ 560 nanomètres, du vert jaunâtre. La formule confirme qu'en changeant seulement ce qui remplit le vide, la couleur glisse du bleu vers le vert. Le curseur de la figure 1 calcule lui aussi la couleur avec cette formule.
LycéeLycée+Interférence en film mince, et pourquoi la couleur change avec l'« angle »
LycéeEn physique au lycée, on étudie l'interférence de la lumière réfléchie par les deux faces d'un film mince : c'est l'« interférence en film mince ». Il faut aussi tenir compte du fait que, lors d'une réflexion sur un milieu d'indice plus élevé, crête et creux s'échangent (décalage de phase d'une demi-longueur d'onde).
Lycée+Quand la lumière arrive de biais, la différence de chemin dans le film diminue proportionnellement au cosinus de l'angle de propagation dans le film. Plus on regarde de biais, plus la longueur d'onde renforcée se décale vers le court (du bleu vers le violet). C'est pourquoi le morpho et le cou du pigeon changent de couleur avec l'angle.
UniversitéLe « désordre » des plumes d'oiseaux et la couleur pourtant nette
L'éponge de bulles des plumes bleues d'oiseaux n'est pas un réseau régulier comme un cristal. Pourtant, comme la distribution des écarts entre bulles est étroite, on explique qu'il se produit une « diffusion cohérente », où seule la diffusion à une longueur d'onde précise se renforce. En décomposant l'agencement des bulles en composantes d'onde (analyse de Fourier), un pic net apparaît à un certain écart, ce qui permet de prévoir la longueur d'onde de la couleur. Ce point de vue rejoint les recherches sur les « structures quasi ordonnées » et les « cristaux photoniques », où même une structure désordonnée donne une couleur.
📖 Dérivation de la formule et suites : Couleur structurelle (Wikipédia, en japonais) ／ Interférence en film mince (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clair
- Pourquoi les animaux ne fabriquent-ils pas de pigment bleu ? Selon une hypothèse, les pigments bleus auraient des molécules grosses et complexes, coûteuses à produire, mais la question n'est pas tranchée.
- Comment l'éponge de bulles se forme-t-elle ? On pense que, pendant la croissance de la plume, protéines et eau se séparent spontanément et dessinent les bulles, mais le mécanisme fin qui rend les écarts réguliers est encore à l'étude.
- Peut-on imiter et utiliser les couleurs de forme ? On étudie des « peintures sans pigment » qui ne se décolorent pas, et des applications aux écrans, mais les produire à grande échelle et à bas coût, comme le font les êtres vivants, reste difficile.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les épaisseurs des lamelles et des bulles varient selon les espèces et les méthodes de mesure.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1re année « Propriétés de la lumière » | La lumière blanche mélange de nombreuses couleurs |
| Lycée | Physique « Interférence des ondes », « Interférence en film mince » | Condition d'alignement des crêtes, vérification par la formule |
| Lycée+ | Physique (approfondissement) | Pourquoi la couleur se décale avec l'angle |
| Université | Optique · biophysique | Diffusion cohérente, cristaux photoniques |
| Recherche | Photonique du vivant | Pourquoi les animaux ne font pas de pigment bleu, formation des bulles |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Cou de pigeon, bulles de savon, peintures qui ne se décolorent pas |
- Vukusic P., Sambles J. R. "Photonic structures in biology", Nature 424 (2003)
- Prum R. O., Torres R. H., Williamson S., Dyck J. "Coherent light scattering by blue feather barbs", Nature 396 (1998)
- Shin'ichi Kinoshita, 『生物ナノフォトニクス ― 構造色入門』 (Nanophotonique du vivant : introduction aux couleurs structurelles), Asakura Shoten (2010)
- Wikipédia en japonais, « 構造色 » (couleur structurelle)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs données sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Les épaisseurs des lamelles et des bulles comprennent des valeurs supposées et varient selon les espèces.