Pourquoi le caméléon peut-il changer de couleur ?
― Il ne déplace pas de pigments : il modifie l’agencement de cristaux
Quand il s’excite, s’effraie ou cherche à séduire, le caméléon change de couleur à vue d’œil. Vous pensez peut-être qu’il se contente de déplacer des grains de couleur dans sa peau ? En réalité, ce ne sont pas les pigments qui pilotent les grands changements de couleur, mais de minuscules cristaux disposés en rangs réguliers dans la peau.
Les pieuvres et les calmars sont eux aussi connus pour changer vite de couleur et de motif. Chez eux, des cellules contenant des grains de pigment s’étirent ou se contractent, ce qui modifie la quantité de couleur visible.
On a longtemps expliqué le caméléon de la même façon, mais la recherche a montré que cela n’explique pas tous ses changements de couleur.
Outre les pigments, la peau du caméléon posséderait une couche de cristaux minuscules de guanine, espacés régulièrement.
Quand la peau se tend ou se relâche, l’écart entre les cristaux s’élargit ou se réduit, et la couleur (la longueur d’onde) renforcée par la réflexion change.
Voyons tour à tour cette « couche de cristaux ordonnée » et le mécanisme du changement d’écart.
Des cristaux ordonnés qui ne réfléchissent fortement qu’une couleur
Quand la lumière frappe une couche de cristaux régulièrement espacés, elle se réfléchit sans cesse entre les cristaux, et seule une longueur d’onde (une couleur) se renforce et revient vers l’œil. Les autres couleurs, déphasées, s’annulent. C’est très différent d’un pigment qui absorbe certaines couleurs et réfléchit le reste : on parle de « couleur structurelle ». Ce phénomène repose sur la même physique de base que la couleur produite par une structure ordonnée, expliquée dans l’article sur les reflets irisés de l’opale.
L’écart entre les cristaux est réglé par la tension de la peau
On pense que le caméléon modifie l’écart entre les cristaux en relâchant ou en tendant sa peau. Peau relâchée, au repos, les cristaux sont serrés : l’écart est étroit et ce sont les lumières bleue et verte, de courte longueur d’onde, qui sont fortement réfléchies. Quand l’animal s’excite ou veut séduire, sa peau se tend, l’écart s’élargit et ce sont des lumières de grande longueur d’onde, jaune, orange, voire proches du rouge, qui sont fortement réfléchies.
Sous la couche de cristaux qui produit la couleur structurelle, on trouverait aussi une couche de cellules contenant un pigment sombre (la mélanine). Elle assombrirait le corps et aiderait à réguler sa température. Le réglage par les pigments et celui par la couleur structurelle des cristaux se partagent donc les rôles et agissent ensemble.
C’est un cristal vivant dont on peut changer l’écart.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Placez la face gravée d’un CD ou d’un DVD à la lumière
- En changeant l’angle, observez les fines rainures qui scintillent aux couleurs de l’arc-en-ciel
- Constatez que, selon l’angle de vue, l’écart effectif vu par la lumière change, et avec lui la couleur renforcée
Imaginez que l’« écart » entre les rainures du CD, le caméléon le modifie activement en tendant sa peau : c’est plus facile à comprendre ainsi.
En résumé
Si le caméléon peut changer autant de couleur, ce n’est pas seulement parce qu’il déplace des pigments : on pense qu’il modifie, par la tension de sa peau, l’écart entre de minuscules cristaux régulièrement disposés. Écart étroit, bleu-vert ; écart élargi, jaune ou orange. L’agencement des cristaux joue le rôle d’un cadran pour choisir la couleur.
Le caméléon ne « repeint » pas sa peau.
Il déplace lui-même la graduation des cristaux qui renvoient la lumière.
Ce même principe, où une structure ordonnée crée la couleur, est aussi expliqué dans l’article sur l’opale.
Pour aller plus loin ― termes, valeurs et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : chaque niveau est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « physique de base » du lycée
- Lycée+Physique de lycée approfondie, ou contenu d’approfondissement des manuels
- Univ.Non vu au lycée : matière universitaire (biophysique)
- RecherchePas encore une « théorie établie » : sujet que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : les mots du changement de couleur du caméléon
- Couleur structurelle : couleur créée non par un pigment, mais par la réflexion de la lumière sur une structure minuscule et ordonnée.
- Iridophore : cellule de la peau du caméléon contenant une couche de cristaux.
- Guanine : nom de la substance qui forme ces cristaux.
LycéeVérifier par la formule : que devient la couleur quand l’écart s’élargit ?
Avec la même relation que dans l’article sur l’opale, estimons comment un changement d’écart entre cristaux modifie la couleur de la lumière réfléchie.
longueur d’onde renforcée ≒ 2 × écart entre cristaux × indice de réfraction du milieu
| Indice de réfraction | Environ 1,4 pour le tissu de la peau (valeur indicative) |
| Écart entre cristaux (au repos) | Environ 130 nm (valeur indicative) |
| Écart entre cristaux (excité) | Environ 180 nm (valeur indicative) |
| Longueur d’onde au repos | 2 × 130 × 1,4 ＝ 364 |
| Longueur d’onde à l’état excité | 2 × 180 × 1,4 ＝ 504 |
| Résultat | La longueur d’onde passe d’environ 364 nm à 504 nm |
On admet en gros que 450–495 nm correspondent au bleu, 495–570 nm au vert et 570–590 nm au jaune. Un écart élargi de seulement 50 nm environ suffit, d’après le calcul, à faire passer la lumière réfléchie d’un ton bleu-vert à un ton jaune. Une infime variation de quelques nanomètres produit ainsi une différence de couleur bien visible à l’œil.
Lycée+Différence avec le changement de couleur des pieuvres et des calmars
Chez la plupart des pieuvres et des calmars, les chromatophores, des sacs cellulaires contenant du pigment, sont étirés ou contractés par des muscles pour changer la couleur. Cela modifie l’aspect du pigment lui-même. Le changement de couleur par les cristaux du caméléon ne joue pas sur un pigment mais sur la longueur d’onde même de la lumière réfléchie : le principe est donc différent.
Univ.La couleur structurelle de la peau en biophysique
En biophysique, on étudie par quel mécanisme mécanique le réseau cristallin des iridophores change d’écart. Selon une explication soutenue notamment par des observations au microscope électronique, l’étirement de la peau modifie la symétrie et l’agencement mêmes du réseau, ce qui change la longueur d’onde réfléchie.
RechercheCe qui reste flou
- Le contrôle détaillé, au niveau des nerfs et des muscles, de l’étirement de la peau qui modifie l’écart entre cristaux reste un sujet de recherche actif.
- Des études comparatives cherchent aussi à savoir comment l’agencement des cristaux et l’amplitude des changements de couleur diffèrent selon les espèces de caméléons.
- En science des matériaux, on développe aussi, à partir de ce mécanisme, des matériaux artificiels dont la couleur se commute électriquement (écrans à couleur structurelle, etc.).
Un simple morceau de peau de caméléon renferme un sujet riche, à la croisée de la biophysique et de l’optique, et toujours étudié aujourd’hui.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés de la lumière | Couleur structurelle, vocabulaire de base sur les iridophores |
| Lycée | Physique de base : interférences des ondes (approfondissement) | Calcul de la longueur d’onde et de l’écart entre cristaux |
| Lycée+ | Biologie : comportement animal (approfondissement) | Comparaison avec les chromatophores des pieuvres et calmars |
| Univ. | Biophysique | Mécanisme des changements mécaniques du réseau cristallin |
| Recherche | Biophysique et science des matériaux (en cours) | Élucidation du contrôle, comparaison entre espèces, matériaux à couleur structurelle |
- Travaux de Teyssier, J. et al., publiés dans une revue scientifique, sur la couleur structurelle de la peau du caméléon.
- Exposé, dans des ouvrages de biophysique, sur le lien entre iridophores et couleur structurelle.
- Passages généraux, dans des manuels d’optique, sur les interférences, la diffraction et la condition de Bragg.
※ Les valeurs d’écart entre cristaux et de longueur d’onde sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varient selon l’espèce, l’individu et son état.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des estimations et des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varient selon l’espèce, l’individu et son état.