Pourquoi le gymnote ne s'électrocute-t-il pas avec son propre courant ?
― L'électricité choisit le chemin de moindre résistance
Le gymnote peut, dit-on, libérer en un instant une forte décharge, de l'ordre de plusieurs centaines de volts, contre ses proies ou ses ennemis. Une telle tension provoquerait chez l'être humain un choc violent. Pourtant, ce poisson qui produit tant d'électricité ne s'affaiblit pas et continue de nager tranquillement. Comment est-ce possible ?
Le gymnote est un poisson doté, dans son corps, d'organes spéciaux producteurs d'électricité. Il en tire en un éclair une forte décharge, qui paralyse ses proies ou repousse ses ennemis.
À nos yeux, produire une telle électricité à l'intérieur de son corps devrait plutôt l'électrocuter lui-même. Pourtant, le gymnote répète cette décharge presque à chaque fois, sans en souffrir.
La clé de ce mystère tiendrait à l'astuce de l'anatomie du poisson et à la nature même de l'électricité.
Le cœur et les autres organes vitaux seraient placés loin des organes qui produisent l'électricité.
Le courant a tendance à passer en priorité par les chemins faciles (de faible résistance). L'eau alentour et les proies conduiraient mieux l'électricité que son propre corps.
Voyons pas à pas comment se combinent cette « anatomie » et cette « nature de l'électricité ».
Le gymnote aligne dans son corps de nombreuses « petites piles »
Chez le gymnote, l'essentiel du corps serait occupé par des cellules spécialisées dans la production d'électricité (les électrocytes). Chacune ne fournit qu'une faible tension. Mais elles seraient alignées par milliers, comme des piles montées en série, ce qui permettrait d'obtenir au total une tension très élevée.
Les organes vitaux sont tenus à l'écart de la zone de production
Chez le gymnote, la plupart des organes vitaux, dont le cœur, seraient regroupés dans une zone assez étroite, près de la tête. Les organes électriques, eux, occupent tout le reste du corps, sur une longue portion proche de la queue. Cette disposition créerait une certaine distance entre l'endroit où naît la forte décharge et les organes vitaux, fragiles.
Son corps est fait de telle sorte que le courant fort n'atteint guère ses parties vitales.
Le courant choisit le chemin de faible résistance
Quand plusieurs chemins s'offrent à lui, le courant passe davantage par celui dont la résistance (la difficulté à laisser passer l'électricité) est la plus faible. Si l'on compare l'intérieur du corps du gymnote et l'eau environnante, l'eau (surtout le corps d'une proie, bon conducteur) conduirait mieux l'électricité que l'intérieur du gymnote lui-même. Ainsi, l'essentiel du courant issu des organes électriques irait de préférence vers l'eau ou la proie, plutôt que vers l'intérieur du corps du gymnote.
Selon des observations de chercheurs, face à un ennemi qui sort de l'eau, le gymnote sort une partie de son corps de l'eau et touche directement l'adversaire pour lui envoyer la décharge. On pense que le contact direct transmet l'électricité plus efficacement que le passage par l'eau.
À essayer soi-même
- Prenez deux tuyaux ou tubes de diamètres différents (à défaut, une paille large et une paille fine).
- Versez en même temps la même quantité d'eau dans chacun.
- Vérifiez que le plus large (de faible résistance) laisse sortir plus d'eau.
- Imaginez que l'électricité fait de même : elle passe en priorité par le chemin facile (de faible résistance).
Avec la même idée que pour l'eau, on peut se figurer par quel chemin le courant passe le plus.
À retenir
Si le gymnote s'électrocute difficilement, c'est d'abord parce qu'il place ses organes vitaux loin de la zone qui produit l'électricité. C'est aussi parce qu'il tire parti de la tendance du courant à suivre le chemin de faible résistance, et envoie l'essentiel du courant hors de son corps (dans l'eau ou vers la proie). C'est la combinaison de ces deux éléments qui l'expliquerait.
L'électricité du gymnote est conçue d'avance pour être lancée vers le monde extérieur, et non vers l'intérieur de son corps.
À l'inverse du gymnote qui « produit » l'électricité, certains animaux « perçoivent » les très faibles courants émis par leurs proies : c'est expliqué dans l'article sur le requin. Si les oiseaux perchés sur une ligne électrique ne s'électrocutent pas, c'est aussi pour une même raison physique : le courant ne circule que là où il existe une « différence de tension ». Le calcul est détaillé dans l'article sur les oiseaux et les lignes électriques.
Pour aller plus loin ― termes, valeurs et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeCe qui s'apprend en sciences au collège
- LycéeCe qui s'apprend au lycée, en « physique de base »
- Lycée+La « physique » approfondie du lycée, ou des contenus de manuel présentés comme compléments ou encadrés
- Univ.Contenu de spécialité universitaire, non abordé au lycée (électrophysiologie)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, sans être enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots du gymnote
- Tension : l'intensité de la « poussée » qui met l'électricité en mouvement. Unité : le volt (V).
- Courant : la quantité d'électricité qui circule réellement. Unité : l'ampère (A).
- Résistance : la difficulté qu'a l'électricité à passer. Unité : l'ohm (Ω).
LycéeVérifier par le calcul : comment de petites cellules atteignent-elles plusieurs centaines de V ?
On calcule d'abord la « tension totale », sujet principal. On regarde ensuite comment le courant se répartit.
| En symboles | V ＝ n × v |
| En mots | tension totale ＝ nombre d'électrocytes en série × tension d'une cellule |
| D'où vient cette formule ? | D'une règle des circuits (la loi des mailles de Kirchhoff) : quand on branche des piles en série, leurs forces électromotrices s'additionnent. |
| Symbole v : tension d'une cellule (en V) | environ 0,15 V, dit-on |
| Symbole n : nombre de cellules en série (en unités) | environ 4000 cellules, dit-on |
| Symbole R : résistance du chemin du courant (en Ω) | À titre d'exemple : 1000 Ω dans le corps, 100 Ω dans l'eau |
| Tension totale (V) | 4000 × 0.15 ＝ 600 |
Une pile de 0,15 V seulement, mais 4000 en série donnent 600 V. Une tension bien supérieure à celle d'une prise domestique naît ainsi de la simple addition des cellules.
| En symboles | I ＝ V ÷ R |
| En mots | courant ＝ tension ÷ résistance |
| D'où vient cette formule ? | C'est la loi d'Ohm. Elle sert à comparer deux chemins soumis à la même tension. |
| Courant dans le corps (A) | 600 ÷ 1000 ＝ 0.6 |
| Courant dans l'eau (A) | 600 ÷ 100 ＝ 6 |
| Combien de fois le courant dans l'eau dépasse-t-il celui du corps ? | 6 ÷ 0.6 ＝ 10 |
| Résultat | Dans l'eau passe un courant 10 fois plus fort que dans le corps |
Comme dans cet exemple, un chemin de faible résistance laisse passer plus de courant, ce qui expliquerait que le courant dans le corps du gymnote reste relativement faible.
* Les valeurs de résistance ne sont ici que des chiffres d'exemple pour comprendre le mécanisme. Les valeurs exactes pour le corps et l'eau ne sont pas traitées dans cet article.
Lycée+Répartition du courant dans un circuit en dérivation
En électricité, on sait que lorsque deux chemins ou plus (circuit en dérivation) subissent la même tension, le rapport des courants est l'inverse du rapport des résistances. Plus la résistance d'un chemin est faible, plus il laisse passer de courant. Cette relation s'applique aussi aux deux « chemins » que sont le corps du gymnote et l'eau environnante.
Univ.L'électrocyte, une « petite pile » du corps
En électrophysiologie, on étudie comment les électrocytes du gymnote, déclenchés par un signal nerveux, modifient brusquement leurs propriétés électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule, et produisent une tension instantanée. Quand un grand nombre d'électrocytes agissent en même temps, une grande tension totale se forme en un éclair. Ce changement brusque s'appelle potentiel d'action ; on pense qu'il repose sur le même mécanisme que dans les cellules nerveuses et musculaires.
📖 Dérivation des formules et suite : Potentiel d'action (comment une cellule produit une tension)
RechercheCe qui reste incertain
- Jusqu'à quel point les tissus internes du gymnote résistent au courant, et le détail de ce mécanisme d'isolation, restent un sujet de recherche en électrophysiologie.
- Quant à l'attaque où il bondit hors de l'eau sur un adversaire, c'est un sujet de recherche relativement récent : les conditions précises et la signification de ce comportement font l'objet d'études.
- On explore aussi des applications du mécanisme de décharge du gymnote : biopiles d'origine biologique et techniques de production d'électricité de faible puissance.
Le corps du gymnote recèle des thèmes riches, à la croisée de l'électrophysiologie et de la physique, encore étudiés aujourd'hui.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : courant et tension | Vocabulaire de base : tension, courant, résistance |
| Lycée | Physique de base : loi d'Ohm | Calcul du courant selon la résistance |
| Lycée+ | Physique : circuits en dérivation (approfondissement) | Répartition du courant en dérivation |
| Univ. | Électrophysiologie | Fonctionnement de l'électrocyte |
| Recherche | Électrophysiologie et éthologie (en cours d'étude) | Mécanisme d'isolation en détail, attaque par bond, applications techniques |
- Explications sur la loi d'Ohm et les circuits en dérivation dans les manuels de physique.
- Explications sur le fonctionnement des électrocytes du gymnote dans la documentation de physiologie.
- Revue de recherche en éthologie sur le comportement de défense du gymnote (attaque par bond).
- Revue de recherche en électrophysiologie sur l'isolation interne des poissons électriques.
- Explications sur la recherche en biopiles exploitant la production d'électricité biologique, en ingénierie appliquée.
* Les valeurs de tension, de résistance, etc. comprennent des ordres de grandeur et des valeurs d'exemple servant à expliquer le mécanisme. Les valeurs réelles peuvent varier selon l'individu et la situation.
* Cet article est une vulgarisation scientifique. Ne touchez jamais imprudemment un vrai gymnote ni un autre animal produisant de l'électricité, et n'plongez jamais la main dans son eau.