Pourquoi le bousier roule-t-il droit même dans la nuit noire ?
― Un petit insecte regarde la Voie lactée pour s'orienter
Dans la savane africaine, la nuit, le bousier roule sa boule en s'éloignant sans jamais se perdre. Coiffez-lui les yeux d'un petit chapeau, et il perd aussitôt le nord. Ce que cet insecte regardait, ce n'était pas le sol, mais le ciel. Et pas la lune, mais la Voie lactée.
On vous bande les yeux, la nuit, en pleine campagne. On vous demande de marcher 100 pas en ligne droite. La plupart des gens dévient largement.
Pourtant, dans la savane sud-africaine nocturne, un insecte pas plus gros qu'un pouce y arrive. Il découpe une boule dans un tas de bouse, la pousse en marche arrière, tête en bas, et s'éloigne tout droit.
Sans regarder devant lui, sans carte, et parfois sans même la lune. Sur quoi cet insecte s'appuie-t-il pour garder le cap ?
Seulement deux raisons
Autour du tas de bouse grouillent des congénères prêts à voler la boule. Pour le même nombre de pas, le chemin qui éloigne le plus est la ligne droite.
Les yeux du bousier distingueraient mal les étoiles une à une. En revanche, des expériences ont montré qu'il se guide sur la direction de la bande lumineuse de la Voie lactée.
Voyons d'abord pourquoi aller droit est si important. Ensuite, parlons du repère céleste qui rend cela possible dans la nuit la plus noire.
En zigzaguant, on ne s'éloigne jamais vraiment du tas
Pour le bousier, le tas de bouse est un trésor : nourriture et matériau pour élever ses petits. La concurrence y est donc rude, et la boule qu'il vient de façonner lui est souvent volée par un autre insecte. Une fois la boule prête, il veut donc quitter les lieux le plus vite possible.
C'est là que la direction compte énormément. Si l'orientation change au hasard à chaque poussée, une grande partie du trajet s'annule. Essayez de déplacer le curseur de la figure 1. Plus on augmente le nombre de poussées, plus la flèche de la trajectoire rectiligne s'allonge. En revanche, la distance atteinte avec une direction aléatoire (le cercle en pointillés) s'agrandit très lentement.
Avec 49 poussées, en ligne droite, on atteint environ 5 mètres. Avec une direction aléatoire, on ne s'éloigne en moyenne même pas d'un mètre. Cet écart s'agrandit à mesure que le nombre de poussées augmente. Pour un bousier qui veut protéger sa boule, « aller droit » est une technique vitale.
Par nuit sans lune, le repère était la Voie lactée
Le jour, le bousier se repère sur la position du soleil. La nuit, on savait depuis 2003 qu'il utilise la lune, ou la « polarisation » (l'alignement de la direction des vibrations) de sa lumière diffusée dans l'air.
Ce qui restait mystérieux, c'étaient les nuits sans lune. Certains bousiers roulaient quand même tout droit. Une équipe de recherche suédoise et sud-africaine a alors tenté une expérience audacieuse : emmener les insectes dans un planétarium sud-africain, et comparer leur trajectoire selon le ciel projeté.
Le résultat ressemble à la figure 2. Avec un ciel étoilé complet projeté, les bousiers roulaient droit. En projetant seulement la bande de la Voie lactée, c'était tout aussi droit. Mais en projetant uniquement les étoiles brillantes, sans la Voie lactée, ils commençaient à se perdre. En extérieur aussi, en leur coiffant les yeux d'un petit chapeau cachant le ciel, le trajet devenait très sinueux.
L'important, ici, c'est que le bousier ne mémorise pas « quelle étoile » regarder. Il ne cherche pas non plus une destination précise. N'importe quelle direction lui convient : seul compte le maintien du cap « juste décidé ». Pour cela, il suffit qu'une partie du ciel soit un peu plus claire qu'une autre. La Voie lactée était, pour ce rôle, un repère immense et parfaitement adapté.
Avant de commencer à rouler, le bousier grimpe sur la boule et tourne sur lui-même. On pense qu'il balaie ainsi le ciel du regard pour fixer sa direction. Si un obstacle le dévie en chemin, il remonte sur la boule pour refixer son cap.
Les marins humains repéraient le cap en mémorisant une étoile fixe, comme l'étoile Polaire. Le bousier ne mémorise pas de constellation : il n'utilise que la direction de la luminosité de toute la bande. La Voie lactée se déplace lentement au cours de la nuit, mais pour un trajet de quelques minutes, ce mouvement ne pose guère de problème.
En résumé
Pour ne pas se faire voler sa boule, le bousier s'éloigne du tas en ligne droite. En zigzaguant, il n'avancerait guère, même en poussant bien plus de fois. Par nuit sans lune, c'est la pâle bande de la Voie lactée qui traverse le ciel qui soutient ce cap rectiligne. Même avec de petits yeux incapables de distinguer les étoiles une à une, la direction de la luminosité de la bande reste lisible.
La Voie lactée que nous trouvons belle en la contemplant,
cet insecte l'utilise chaque nuit comme une boussole.
La raison pour laquelle l'étoile Polaire guide les humains depuis toujours est expliquée dans « L'étoile Polaire est-elle la plus brillante ? », et pourquoi la Voie lactée se voit peu les nuits d'automne dans « Pourquoi y a-t-il si peu d'étoiles brillantes en automne ? ».
- Dans un endroit vaste et sûr (pelouse de parc ou cour d'école), placez-vous face à un repère bien droit. Marquez votre point de départ au sol.
- Fermez les yeux et marchez lentement 30 pas tout droit vers le repère. Faites-vous toujours accompagner par quelqu'un.
- Ouvrez les yeux et mesurez l'écart par rapport au repère. Recommencez ensuite les yeux ouverts, en fixant un seul point au loin, et comparez les écarts.
Vous sentirez à quel point un simple repère facilite la marche en ligne droite. Par une nuit claire et sombre, loin des lumières de la ville, cherchez la Voie lactée : vous mesurerez aussi la taille de la « bande » que regarde le bousier.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège à l'université : le niveau de chaque notion est indiqué
- Collègeniveau collège (sciences)
- Lycéeniveau lycée (physique, biologie)
- Lycée+approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- Universiténon vu au lycée : discipline universitaire spécialisée (théorie des probabilités, physiologie sensorielle)
- Recherchepas encore établi comme acquis à l'université : objet de recherche en cours
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Voie lactée (galaxie) : vue de l'intérieur, c'est l'immense population d'étoiles qui comprend notre système solaire. La lumière d'innombrables étoiles lointaines se superpose en une pâle bande qui traverse le ciel.
- Polarisation : état où les vibrations de la lumière sont alignées dans une même direction. Quand la lumière du soleil ou de la lune se diffuse dans l'air, la direction de vibration s'aligne selon l'endroit du ciel, et ce motif devient un repère de direction.
- Marche aléatoire : façon de se déplacer où la direction change au hasard à chaque pas. Rapporté au nombre de pas, on s'éloigne très peu du point de départ.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quel écart entre ligne droite et direction aléatoire ?
Notons ℓ la longueur parcourue à chaque poussée et N le nombre de poussées. Si la direction reste la même à chaque fois, les longueurs s'additionnent directement. Si la direction change au hasard à chaque fois, la distance moyenne atteinte peut s'estimer par la formule suivante. Pour simplifier le calcul, on suppose ici 10 cm par poussée (la valeur réelle dépend de la taille de l'insecte et du terrain).
| En notation symbolique | Ligne droite : D = ℓ × N ／ Direction aléatoire : D ≒ ℓ × √N |
| En mots | Distance au tas = longueur d'une poussée × nombre de poussées. Si la direction est aléatoire, distance ≒ longueur d'une poussée × racine carrée du nombre de poussées |
| D'où vient cette formule | Des pas de direction aléatoire s'annulent mutuellement en moyenne. Ce qui ne s'annule pas, c'est la somme des « carrés des distances », proportionnelle au nombre de poussées : ℓ² × N. La racine carrée de cette valeur donne la distance moyenne |
Signification des symboles : D est la distance au tas (cm), ℓ la longueur parcourue par poussée (cm), N le nombre de poussées. Le calcul se fait en cm.
| Longueur par poussée ℓ (hypothèse) | 10 cm |
| Nombre de poussées N | 100 |
| Racine carrée de 100 | 10 |
| Distance en ligne droite | 10 × 100 = 1000 cm (10 m) |
| Distance avec direction aléatoire | 10 × 10 = 100 cm (1 m) |
| Rapport entre les deux | 1000 ÷ 100 = 10 fois |
| Nombre de poussées nécessaires pour atteindre 10 m en aléatoire (N = carré du nombre de poussées en ligne droite) | 100 × 100 = 10 000 |
Pour les mêmes 100 poussées, la ligne droite va 10 fois plus loin. Pour parcourir les mêmes 10 m avec une direction aléatoire, il faut 100 fois plus d'efforts. Cet écart s'agrandit avec le nombre de poussées. Ne pas se perdre est déjà, en soi, une arme redoutable.
LycéeLycée+Le « repère céleste » pour garder le cap
LycéeEn considérant le déplacement comme une somme de vecteurs, des flèches de même direction s'additionnent en longueur, tandis que des flèches de directions dispersées s'annulent entre elles. L'écart entre la flèche et le cercle de la figure 1 traduit exactement cette différence de composition vectorielle. Chez les animaux, maintenir un angle constant par rapport au soleil (la « boussole solaire ») est aussi connu chez les abeilles et les oiseaux migrateurs.
Lycée+La lumière du soleil ou de la lune se polarise en se diffusant sur les molécules de l'air. La direction de polarisation en chaque point du ciel dépend de la position du soleil ou de la lune. Le bord supérieur de l'œil composé des insectes posséderait une zone sensible à cette polarisation (la région dorsale), et le bousier utiliserait aussi la polarisation du clair de lune comme repère.
UniversitéMarche aléatoire et boussole céleste des insectes
Un déplacement de direction aléatoire est appelé, en théorie des probabilités, une marche aléatoire. La propriété selon laquelle la moyenne du carré de la distance au point de départ (le déplacement quadratique moyen) est proportionnelle au nombre de pas a la même forme que la diffusion des molécules dans un liquide. En revanche, la façon dont le bousier garde son cap n'est pas une « navigation » vers une destination précise, mais relève de la simple orientation rectilinéaire (ménotaxie). Les espèces nocturnes auraient des yeux conçus pour capter beaucoup de lumière, afin de garder une sensibilité suffisante dans l'obscurité.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Marche aléatoire (Wikipédia, en japonais) ／ Polarisation (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore clairement
- Quel aspect du ciel, et avec quelle précision, est observé ? La direction de la bande de la Voie lactée, ou la différence de luminosité gauche-droite du ciel ? Quels repères sont combinés, et comment : les expériences se poursuivent.
- D'autres animaux nocturnes l'utilisent-ils aussi ? Les animaux chez qui l'usage de la Voie lactée comme repère directionnel a été démontré restent très peu nombreux. La façon dont les oiseaux migrateurs nocturnes ou les papillons de nuit utilisent le ciel étoilé est aussi à l'étude.
- L'effet de la pollution lumineuse. Un ciel nocturne trop clair rend la Voie lactée difficile à voir. On soupçonne que la lumière artificielle perturbe l'orientation des insectes nocturnes.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans l'état actuel des connaissances ». La façon dont un si petit cerveau parvient à lire le ciel n'est pas encore totalement élucidée.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « la Terre et l'espace », « structure du corps animal » | Nature de la Voie lactée, yeux des insectes |
| Lycée | Physique « composition des vecteurs », biologie « comportement animal » | Flèche et cercle de la figure 1, boussole solaire |
| Lycée+ | Physique « polarisation de la lumière » | Polarisation du clair de lune |
| Université | Théorie des probabilités, physiologie sensorielle, éthologie | Marche aléatoire, orientation rectilinéaire |
| Recherche | Recherche sur la navigation animale | Combinaison des repères célestes, pollution lumineuse |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | L'homme non plus ne marche pas droit sans repère ; luminosité du ciel nocturne |
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs chiffrées données sont des repères et approximations destinés à faciliter la compréhension. La distance de la figure 1 résulte d'un calcul schématique supposant 10 cm par poussée.