Pourquoi les sardines et les poissons-sabres brillent-ils en argenté ?
― Les poissons fabriquent des miroirs sans métal
Quand nous fabriquons un miroir, nous collons du métal — argent ou aluminium — derrière une plaque de verre. Pourtant, le corps du poisson ne contient aucune couche métallique. L'argenté du poisson est un miroir fait de dizaines de « fines membranes » de cristaux transparents superposées. Et ce miroir sert à faire disparaître le poisson dans l'océan.
Des sardines ou des maquereaux tout frais, alignés à l'étal du poissonnier. Leurs flancs scintillent en argenté sous la lumière des néons.
Vous les ramenez chez vous pour les préparer, et vos doigts se couvrent d'une fine poudre argentée. Avec un poisson-sabre, il suffit parfois de le caresser pour que la main devienne argentée.
Cette poudre n'est pas colorée en argenté comme le serait une peinture. Prise grain par grain, elle est presque transparente.
Seulement deux raisons
Même une plaque transparente réfléchit un peu de lumière en surface. En superposant des dizaines de membranes de même épaisseur, les crêtes des ondes réfléchies s'alignent et créent un miroir qui n'a rien à envier au métal.
Dans l'eau, la luminosité ambiante varie fortement entre le haut et le bas, mais reste presque identique à gauche et à droite. Un miroir vertical sur le flanc du poisson reflète alors la même luminosité que le décor derrière lui, rendant sa silhouette difficile à voir.
Le premier point explique « comment » le poisson devient argenté, le second « pourquoi ». Voyons cela dans l'ordre.
Comment fabrique-t-on un miroir avec des membranes transparentes ?
Sous la peau du poisson s'alignent de très fins cristaux en forme de plaquettes, faits d'une substance appelée guanine. Ces cristaux s'empilent par dizaines, en alternance avec des couches riches en eau provenant du corps. L'épaisseur d'un seul cristal vaut environ un millième de celle d'un cheveu.
La lumière est une onde. Sur le dessus et le dessous de chaque cristal, une petite partie de la lumière est réfléchie. À un seul endroit, seuls quelques pour cent de la lumière rebondissent. Mais si l'épaisseur des membranes est juste adaptée, les crêtes des ondes réfléchies en différents points s'alignent parfaitement. Quand des crêtes se superposent, les ondes se renforcent mutuellement. Ainsi, des dizaines de membranes conjuguent leurs efforts pour réfléchir presque toute la lumière.
Essayez de changer l'épaisseur des cristaux avec le curseur de la figure 1. Selon l'épaisseur, la couleur réfléchie le plus fortement change. Avec des membranes d'épaisseur uniforme seulement, une seule couleur est réfléchie. C'est ce mécanisme qui colore les bulles de savon ou les scarabées buprestes.
Alors pourquoi la sardine n'est-elle pas irisée, mais argentée ? Dans le corps de la sardine, des cristaux d'épaisseurs légèrement différentes se mélangent en se superposant. Une membrane fine prend en charge le bleu, une membrane épaisse le rouge, et ainsi de suite, chacune se chargeant d'une couleur différente. En réfléchissant toutes les couleurs ensemble, on obtient un miroir sans couleur propre, c'est-à-dire de l'argenté.
Pourquoi s'être donné la peine de devenir un miroir ?
Si vous plongez dans l'océan, le dessus paraît lumineux et le dessous sombre. Mais quand vous regardez horizontalement, la luminosité est presque la même, que vous regardiez à droite ou à gauche. La lumière de l'océan varie fortement entre le haut et le bas, mais reste uniforme dans toutes les directions horizontales.
Imaginons un poisson avec un miroir vertical dressé sur le flanc. Un observateur qui le regarde de côté reçoit la lumière de « l'océan du côté de l'observateur » réfléchie par le miroir. Comme la luminosité est uniforme dans le sens horizontal, cette lumière a la même intensité que l'océan derrière le poisson. Le contour du poisson se fond alors dans le décor et devient invisible (figure 2).
Et si le corps du poisson n'était pas un miroir ? La lumière venant du haut serait bloquée par son corps, et vu de côté, il apparaîtrait comme une ombre plus sombre que son environnement. Pour un poisson qui nage en banc dans un océan vaste sans endroit où se cacher, cette différence est une question de vie ou de mort.
Comparaison avec nos miroirs et d'autres animaux
Nos miroirs fonctionnent grâce aux électrons qui se déplacent librement dans le métal et réfléchissent la lumière. Même un miroir en argent absorbe quelques pour cent de la lumière reçue et la convertit en chaleur. Le miroir du poisson étant fait uniquement de matériaux transparents, en superposant suffisamment de membranes, la lumière absorbée devient infime. En fait, le même principe de « superposition de membranes transparentes » est utilisé dans les lasers et les objectifs d'appareils photo. Le poisson était arrivé à la même solution bien avant que les humains ne commencent à utiliser cette technologie.
D'autres animaux utilisent les mêmes cristaux de guanine. L'œil du pétoncle formerait une image grâce à un miroir en forme de coupelle, tapissé de cristaux de guanine carrés, selon certaines études. Le caméléon, lui, changerait de couleur corporelle en modifiant l'espacement d'un arrangement similaire de cristaux. Avec le même matériau, selon la façon de l'empiler, on obtient soit un « miroir », soit une « couleur ».
Depuis longtemps, les humains récoltent la poudre argentée des poissons. La poudre tirée des écailles de hareng ou de poisson-sabre aurait servi à enduire des billes de verre pour fabriquer de « fausses perles ». Aujourd'hui encore, la guanine d'origine piscicole est parfois utilisée pour donner un éclat scintillant aux cosmétiques et aux vernis à ongles.
Le dos des sardines et des maquereaux est de couleur bleu-noir. Pour un oiseau qui regarde depuis le haut, le dos du poisson se confond avec la couleur sombre des profondeurs. Dos sombre, flanc miroir : selon l'angle d'où on les observe, ces poissons se cachent par une méthode différente à chaque endroit de leur corps.
En résumé
L'argenté du poisson est un miroir fait de dizaines de cristaux transparents de guanine superposés. La lumière réfléchie à chaque membrane, bien que faible, se renforce quand les épaisseurs sont bien ajustées. En mélangeant des membranes d'épaisseurs différentes, toutes les couleurs sont réfléchies et le résultat est argenté. Comme la lumière de l'océan est uniforme à l'horizontale, un miroir vertical reflète le décor et fait disparaître le poisson.
Au lieu du métal, le poisson a fabriqué son miroir avec des « membranes transparentes superposées ».
Ce miroir n'existe pas pour briller, mais pour disparaître.
Le mécanisme de couleur créé par les fines membranes est détaillé dans pourquoi les bulles de savon sont irisées, et les animaux qui changent de couleur grâce à l'arrangement de cristaux dans le changement de couleur du caméléon. Pour la raison pour laquelle les poissons argentés nagent en bancs, voir aussi l'article sur les bancs de poissons.
- Procurez-vous une sardine ou un chinchard, et inclinez progressivement son flanc sous une lumière. Vérifiez qu'il brille soudain intensément sous un certain angle, et paraît sombre sous un autre. Le fait que l'éclat change avec l'angle est la preuve qu'il s'agit d'un miroir.
- Avec le dos d'un couteau, raclez un peu de la poudre argentée du flanc. Étalez-la sur une feuille de papier noir et éclairez-la obliquement. Chaque grain peut scintiller en bleu ou en vert.
- Posez la même poudre sur une feuille de papier blanche et regardez-la directement du dessus. Elle devrait paraître moins brillante que sur le papier noir. Cela montre que la poudre elle-même n'est pas colorée, mais brille par la lumière qu'elle réfléchit.
Lavez-vous bien les mains et vos outils après avoir touché du poisson cru. Sur un poisson sec et ancien, l'arrangement des cristaux se désorganise et l'éclat s'affaiblit.
Pour en savoir plus ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesOn précise à quel niveau se situe chaque notion, du collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées
- CollègeCe qui est enseigné en sciences au collège
- LycéeCe qui est enseigné en physique au lycée (ondes, interférences lumineuses)
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encart dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (optique, biophysique)
- RecherchePas encore établi comme « acquis » même à l'université : sujet encore étudié activement par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Réflexion et réfraction de la lumière : à la frontière entre deux milieux différents, une partie de la lumière rebondit (réflexion), et le reste se courbe en continuant son trajet (réfraction). C'est pourquoi même une plaque transparente reflète vaguement une image en surface.
- Couleur structurelle : couleur qui naît non d'un pigment, mais d'une « structure » trop fine pour être vue, qui renforce les ondes lumineuses par interférence. Les scarabées buprestes, les bulles de savon et l'argenté des poissons appartiennent à cette catégorie.
- Contre-ombrage (coloration dissimulatrice) : coloration du corps, sombre sur le dos et claire sur le ventre, qui permet de se fondre dans le décor vu du haut comme du bas.
CollègeLycéeVérification par le calcul : l'épaisseur du cristal déterminant la couleur réfléchie
En posant la condition d'alignement des crêtes des ondes réfléchies sur le dessus et le dessous de la membrane, on calcule la couleur (longueur d'onde) fortement réfléchie à partir de l'épaisseur du cristal de sardine. On estime aussi la proportion de lumière réfléchie à une seule frontière.
| Notation symbolique | λ ＝ 4 × n × d (Réflectance à une frontière R ＝ ( (n₁ − n₂) ÷ (n₁ + n₂) )²) |
| En mots | Longueur d'onde fortement réfléchie ＝ 4 × indice de réfraction de la membrane × épaisseur de la membrane |
| Origine de la formule | La condition selon laquelle la différence de trajet de la lumière faisant l'aller-retour dans la membrane, combinée au déphasage d'une demi-longueur d'onde, fait que « les crêtes s'alignent » (interférence lumineuse). Quand l'épaisseur optique de la membrane vaut un quart de la longueur d'onde, les lumières réfléchies sur le dessus et le dessous se renforcent. La formule de réflectance dérive de l'équation de Fresnel, qui décrit la fraction de lumière réfléchie à une frontière, appliquée au cas d'une incidence perpendiculaire. |
| Signification des symboles | λ : longueur d'onde réfléchie (nanomètres), n : indice de réfraction de la membrane (sans unité), d : épaisseur de la membrane (nanomètres), R : réflectance (proportion) |
| Indice de réfraction n₁ du cristal de guanine | environ 1,83, selon les estimations |
| Indice de réfraction n₂ de l'interstice (couche riche en eau) | environ 1,33 (proche de celui de l'eau) |
| Épaisseur d d'un cristal (exemple) | 70 nanomètres (en réalité, de l'ordre de quelques dizaines à une centaine de nanomètres, selon les estimations) |
| 4 × indice de réfraction | 4 × 1,83 ＝ 7,32 |
| × épaisseur ＝ longueur d'onde fortement réfléchie | 7,32 × 70 ＝ 512,4 (nanomètres, vert) |
| Différence des indices de réfraction | 1,83 − 1,33 ＝ 0,50 |
| Somme des indices de réfraction | 1,83 + 1,33 ＝ 3,16 |
| Différence ÷ somme | 0,50 ÷ 3,16 ≒ 0,158 |
| Au carré ＝ réflectance à une frontière | 0,158 × 0,158 ≒ 0,025 (environ 2,5 %) |
| Réflectance pour 10 paires cristal/interstice superposées | Selon le calcul dans la condition d'alignement des crêtes, environ 99 % |
Un cristal de 70 nanomètres d'épaisseur réfléchit fortement la lumière verte. Une seule frontière ne réfléchit que 2,5 %, mais en superposant 10 paires, on obtient un miroir qui réfléchit presque tout. En mélangeant des membranes de 56 à 94 nanomètres d'épaisseur, le calcul montre qu'on peut couvrir toutes les couleurs, du violet au rouge (la plage du curseur de la figure 1).
LycéeLycée+Interférence des couches minces et miroir multicouche quart d'onde
LycéeDans l'interférence des couches minces enseignée en physique au lycée, seule la lumière réfléchie sur la surface du matériau à indice de réfraction plus élevé subit un déphasage d'une demi-longueur d'onde. La lumière réfléchie sur le dessus du cristal (indice élevé) et celle réfléchie sur le dessous ne subissent pas ce « déphasage » de la même façon. C'est pourquoi les ondes se renforcent quand la différence de trajet aller-retour vaut une demi-longueur d'onde, c'est-à-dire quand l'épaisseur optique de la membrane vaut un quart de longueur d'onde.
Lycée+Un empilement alterné de cristal et d'interstice, chacun d'une épaisseur d'un quart de longueur d'onde, s'appelle un miroir multicouche quart d'onde. Comme la lumière réfléchie à chaque frontière se superpose en phase, la réflectance se rapproche de 1 à mesure que le nombre de paires augmente. C'est le même principe que la réflexion de Bragg observée en diffraction des rayons X sur les cristaux : des couches régulièrement disposées réfléchissent sélectivement certaines longueurs d'onde.
UniversitéMiroir diélectrique multicouche et dispositif d'annulation de la polarisation
En optique, un miroir fait de matériaux transparents (diélectriques) superposés s'appelle un miroir diélectrique multicouche ; sa réflectance se calcule en cumulant les équations de Fresnel de chaque frontière par la méthode des matrices de transfert. Une structure qui mélange des couches d'épaisseurs différentes pour réfléchir une large gamme de longueurs d'onde est appelée multicouche de type « chirped » ou « chaotique » ; l'argenté du poisson relèverait de ce type. Toutefois, les miroirs multicouches ont une faiblesse : leur réflectance baisse selon la polarisation quand la lumière arrive de biais (effet de l'angle de Brewster). Une étude de 2012 a rapporté que le poisson évite cette faiblesse en mélangeant les orientations de deux types de cristaux aux indices de réfraction différents.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Interférence des couches minces (Wikipédia, en japonais) ／ Équations de Fresnel (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Comment l'épaisseur des cristaux est-elle uniformisée ? Le mécanisme par lequel les cellules des organismes vivants font croître les cristaux de guanine avec une épaisseur de l'ordre du nanomètre et les alignent dans une orientation précise est encore étudié aujourd'hui.
- Est-ce efficace face aux prédateurs qui perçoivent la polarisation ? Les calmars et certains poissons seraient capables de distinguer la polarisation de la lumière. On débat encore de l'efficacité du miroir argenté pour masquer la silhouette face à de tels prédateurs.
- Le poisson modifie-t-il les propriétés du miroir en temps réel ? On sait que certains poissons changent de couleur en modifiant l'espacement de leurs cristaux. On ne sait pas bien si les poissons argentés qui nagent en banc ajustent leur miroir selon la luminosité.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Le miroir du poisson est encore aujourd'hui un modèle que les chercheurs en optique étudient pour concevoir de nouveaux miroirs.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 4e : « réflexion et réfraction de la lumière » | Même une plaque transparente réfléchit un peu de lumière |
| Lycée | Physique : « interférence des ondes », « interférence lumineuse par couches minces » | L'épaisseur de la membrane déterminant la couleur réfléchie (figure 1 et formule) |
| Lycée+ | Physique, approfondissement : « réflexion de Bragg » | La réflectance proche de 100 % avec des dizaines de membranes |
| Université | Optique : « multicouche diélectrique », biophysique | Réflexion sur une large gamme de longueurs d'onde et dispositif d'annulation de la polarisation |
| Recherche | Biominéralogie, écologie visuelle | Croissance des cristaux, effet sur les prédateurs |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | L'argenté à l'étal du poissonnier, les couches des objectifs photo, l'éclat des cosmétiques |
- Denton, E. J. (1970). On the organization of reflecting surfaces in some marine animals. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B, 258, 285–313.
- Denton, E. J. & Land, M. F. (1971). Mechanism of reflexion in silvery layers of fish and cephalopods. Proceedings of the Royal Society of London B, 178, 43–61.
- Jordan, T. M., Partridge, J. C. & Roberts, N. W. (2012). Non-polarizing broadband multilayer reflectors in fish. Nature Photonics, 6, 759–763.
- Palmer, B. A. et al. (2017). The image-forming mirror in the eye of the scallop. Science, 358, 1172–1175.
- Land, M. F. (1972). The physics and biology of animal reflectors. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 24, 75–106.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs numériques indiquées sont des repères ou des approximations destinées à faciliter la compréhension du mécanisme. L'épaisseur des cristaux et les indices de réfraction varient selon l'espèce de poisson et la partie du corps, et les valeurs diffèrent selon les études.