Pourquoi la mouche s'enfuit-elle dès qu'on essaie de l'écraser ?
― Pour ses yeux, votre main avance au ralenti
Si la mouche est rapide, ce n'est pas seulement grâce à ses ailes. Ses yeux découpent le temps bien plus finement que les nôtres. Pendant que l'œil humain voit une image, celui de la mouche en voit environ quatre. Votre main, lancée de toutes vos forces, lui paraît donc arriver lentement.
Une mouche est posée sur la table de la cuisine. Vous roulez un journal et vous vous placez doucement.
Vous retenez votre souffle, puis vous frappez d'un coup. Mais quand le journal touche la table, la mouche vole déjà près du plafond.
Vous avez frappé de toutes vos forces, par surprise. Quand donc la mouche a-t-elle compris ?
Elle s'échappe pour deux raisons seulement
L'œil de la mouche distingue, dit-on, environ 250 changements d'image par seconde. L'être humain, environ 60. Elle voit donc le même mouvement avec environ quatre fois plus d'images.
La mouche regarde d'où vient la main et change la position de ses pattes. Elle adopte une posture qui lui permet de sauter à l'opposé du danger, puis elle décolle.
Autrement dit, la mouche ne se contente pas de « fuir vite » : elle « repère vite » et « fuit du bon côté ». Voyons cela pas à pas.
Pour l'œil aussi, il y a une limite d'« images par seconde »
Un film ou un dessin animé montre environ 24 images fixes par seconde. Pourtant, nous voyons un mouvement fluide. C'est que notre œil et notre cerveau ne distinguent pas de changements plus rapides que cela.
On peut mesurer cette limite avec le scintillement d'une lumière. Si on l'allume et l'éteint de plus en plus vite, elle finit par sembler allumée en permanence. Chez l'être humain, en pleine lumière, cela se produit vers 60 fois par seconde.
La même expérience avec une mouche montre qu'elle perçoit le scintillement jusqu'à environ 250 fois par seconde (selon l'espèce et la luminosité). Regardez la figure 1 : elle compare le nombre d'« images » reçues par l'œil humain et par l'œil de la mouche pendant que la main descend.
Pour l'œil humain, tout se joue en un éclair. Pour l'œil de la mouche, l'approche de la main est découpée en des dizaines d'images. À notre échelle, c'est comme si une seconde était étirée jusqu'à environ quatre secondes.
Pourquoi l'œil de la mouche est-il si rapide ? Elle est petite et vole vite. Si ses yeux ne suivaient pas le défilement du paysage en plein vol, elle percuterait les murs. Plus un animal vole vite, plus il lui faut des yeux rapides.
La mouche choisit son sens de fuite avant de sauter
Des yeux rapides ne suffisent pas, car il faut aussi du temps entre le moment où elle repère le danger et celui où elle décolle.
Des chercheurs américains ont montré à des drosophiles (de petites mouches) la vidéo d'un disque noir qui fonce sur elles, et les ont filmées à la caméra rapide. Les mouches modifiaient la position de leurs pattes et l'inclinaison de leur corps selon la direction du disque. Si le danger venait de devant, elles se préparaient à sauter vers l'arrière ; s'il venait d'un côté, vers le côté opposé.
Entre cette préparation et le décollage, il s'écoulerait environ 0,2 seconde, selon les observations publiées. Ce que la mouche perçoit, ce n'est pas tant la « taille » de la main que la « vitesse à laquelle son image grossit » dans l'œil. Une image qui grossit brusquement, c'est un objet qui fonce sur elle.
Les anciens tubes fluorescents variaient d'intensité 100 ou 120 fois par seconde, au rythme du courant électrique. Pour nous, la lumière semble constante. Mais un œil capable de distinguer 250 changements par seconde peut, en principe, percevoir ces variations. Pour la mouche, nos pièces ont peut-être toujours clignoté.
La mouche saute le plus souvent à l'opposé de la main qui approche. Si vous frappez d'en haut, elle s'échappe vers l'avant en diagonale ou vers l'arrière. Les chercheurs disent donc qu'il vaut mieux viser l'endroit où elle sautera, plutôt que celui où elle se trouve. Une main qui approche lentement fait grossir son image plus lentement, et serait moins facilement détectée.
En résumé
La mouche esquive la main parce que ses yeux découpent la seconde environ quatre fois plus finement que les nôtres. Elle lit en plus la direction d'où vient la main, prend la posture de fuite et décolle en 0,2 seconde environ. Même lancée à pleine vitesse, la main lui apparaît comme une grande ombre qui approche lentement.
Ce qui est rapide, ce sont d'abord ses yeux, avant ses ailes.
La mouche voit votre seconde comme quatre secondes.
Combien de grains de lumière l'œil peut compter dans le noir ? Réponse dans « Combien de grains de lumière faut-il à l'œil humain pour voir ? ». Le temps qu'il faut aux yeux pour s'habituer à la lumière est expliqué dans « Pourquoi ne voit-on rien un moment en entrant dans une pièce sombre ? ». Et pourquoi les insectes se rassemblent autour des lumières nocturnes, c'est dans cet article.
- Devant l'écran blanc d'un smartphone ou d'un ordinateur, agitez vite la main, doigts écartés, de gauche à droite. Si vos doigts semblent se dédoubler en plusieurs, c'est que votre œil capte le scintillement de l'écran.
- Agitez ensuite la main de la même façon sous la lumière du soleil qui entre par la fenêtre. Cette fois, les doigts ne font que se brouiller, sans se dédoubler. La lumière du soleil ne scintille pas.
- Si vous voyez une mouche, comparez la distance à laquelle elle décolle selon que vous approchez la main lentement ou vite, de loin (observez seulement, sans la toucher).
La différence entre 1 et 2 tient à ce que l'on voit, ou non, le scintillement de l'écran. L'œil humain a lui aussi une limite dans sa finesse de découpage du temps.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux études supérieures
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « biologie » ou de « physique » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéHors programme du lycée : spécialités universitaires (physiologie sensorielle, neuroéthologie)
- RechercheMême à l'université, ce n'est pas un acquis : sujets que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Œil composé : œil des insectes, formé d'un grand nombre de petits yeux (les ommatidies). Chez la mouche domestique, on en compte plusieurs milliers par œil.
- Fréquence critique de fusion : nombre de clignotements par seconde à partir duquel une lumière qui clignote semble allumée en continu. C'est un repère de la finesse avec laquelle l'œil découpe le temps.
- Stimulus en approche (stimulus de « looming ») : objet dont l'image grossit rapidement dans l'œil. Beaucoup d'animaux y voient le signe d'une collision et réagissent en fuyant.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : combien d'images la mouche voit-elle avant l'arrivée de la main ?
On calcule combien d'images reçoivent l'œil humain et l'œil de la mouche quand la main descend d'une distance de 50 cm. On suppose une vitesse de main de 2 m/s.
| En symboles | N ＝ f × t , t ＝ d ÷ v |
| En mots | Nombre d'images vues = nombre d'images distinguées par seconde × durée avant l'arrivée de la main. La durée est la distance ÷ la vitesse de la main |
| D'où vient-elle ? | De la façon de compter « nombre par seconde × secondes = nombre total », et de la relation « distance = vitesse × temps » |
| N | Nombre d'images reçues par l'œil avant l'arrivée de la main (sans unité) |
| f | Fréquence critique de fusion (fois／seconde) |
| t | Durée avant l'arrivée de la main (secondes) |
| d, v | Distance parcourue par la main (m) et vitesse de la main (m／s) |
| Fréquence critique de fusion humaine (en pleine lumière) | environ 60 fois／seconde, dit-on |
| Fréquence critique de fusion de la mouche | environ 250 fois／seconde, dit-on |
| Distance parcourue par la main (hypothèse) | 0,5 m |
| Vitesse de la main (hypothèse) | 2 m／s |
| Temps entre la préparation et le décollage de la mouche | environ 0,2 seconde, selon les observations publiées |
| Durée avant l'arrivée de la main | 0.5 ÷ 2 ＝ 0.25 s |
| Images reçues par l'œil humain | 60 × 0.25 ＝ 15 images |
| Images reçues par l'œil de la mouche | 250 × 0.25 ＝ 62.5 images |
| Combien de fois plus d'images la mouche voit-elle ? | 250 ÷ 60 ≒ 4.2 fois |
| Marge restante après le temps de décollage | 0.25 − 0.2 ＝ 0.05 s |
Un événement qui tient en 15 images pour l'œil humain est découpé en un peu plus de 60 images pour l'œil de la mouche. Une seconde est donc étirée jusqu'à environ quatre secondes. Et la mouche décolle avec 0,05 s de marge. En revanche, si la main part d'environ 10 cm, la durée tombe à 0,05 s et la mouche n'a plus le temps de se préparer.
LycéeLycée+Des yeux rapides coûtent beaucoup d'énergie
LycéeLes cellules qui captent la lumière (les photorécepteurs) émettent un signal électrique quand la lumière les atteint. Dans les bâtonnets et les cônes de l'œil humain, cette réaction passe par plusieurs étapes chimiques, ce qui retarde l'émission du signal.
Lycée+Les photorécepteurs de la mouche portent des dizaines de milliers de fines excroissances en forme de poils (les microvillosités). Chacune réagit vite à un grain de lumière, puis interrompt aussitôt sa réaction. La mouche peut ainsi suivre des changements rapides, mais au prix d'une forte dépense d'énergie. Selon une estimation, sa rétine consomme près d'un dixième de l'énergie dépensée par tout le corps au repos.
UniversitéLire le « temps avant collision » dans le grossissement de l'image
Notons θ la taille apparente (l'angle visuel) d'un objet qui approche. Le rapport entre θ et la vitesse à laquelle θ augmente est à peu près égal au temps restant avant la collision. Cette grandeur s'appelle « tau (τ) » ; le psychologue Lee l'a proposée en 1976. Le cerveau de la mouche contient des neurones qui réagissent fortement au grossissement de l'image. Leur signal passe par de grosses fibres nerveuses, le système des fibres géantes, et gagne très vite les muscles des pattes qui permettent le saut. Des études comparant la fréquence critique de fusion à la taille du corps et au métabolisme de nombreux animaux rapportent que les petits animaux au métabolisme élevé tendent à distinguer le temps plus finement.
📖 Démonstration de la formule et pour aller plus loin : explication de la fréquence critique de fusion (Wikipédia en anglais) ／ yeux composés et yeux simples (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- La mouche perçoit-elle vraiment un « ralenti » ? On sait mesurer la finesse de découpage de son œil. Mais la façon dont elle vit l'écoulement du temps ne peut pas être vérifiée de l'extérieur.
- Sur combien d'images fonde-t-elle sa décision ? Quelle part de l'information reçue par l'œil sert à décider du décollage ? La question est encore à l'étude.
- Les différences entre espèces. Chez des mouches de la même famille, la rapidité de l'œil diffère entre les espèces qui volent vite et celles qui volent lentement. On ne voit pas encore bien le lien avec leur mode de vie.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les valeurs varient selon l'espèce, la luminosité et la méthode de mesure.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière・chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・stimulus et réaction, corps des insectes | Œil composé, du signal reçu par l'œil au mouvement du corps |
| Lycée | Biologie・récepteurs et effecteurs, physique・vitesse | Fonctionnement des photorécepteurs, calcul de la durée avant l'arrivée de la main |
| Lycée+ | Biologie, approfondissement (traitement de l'information nerveuse) | Photorécepteurs rapides et leur coût énergétique |
| Université | Physiologie sensorielle・neuroéthologie | Fréquence critique de fusion, temps avant collision, système des fibres géantes |
| Recherche | Neurosciences comparées | Perception du temps selon les animaux |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Comment chasser une mouche, scintillement des écrans et des lampes |
- Card G, Dickinson MH (2008) Visually mediated motor planning in the escape response of Drosophila. Current Biology 18.
- Healy K, McNally L, Ruxton GD, Cooper N, Jackson AL (2013) Metabolic rate and body size are linked with perception of temporal information. Animal Behaviour 86.
- Laughlin SB, de Ruyter van Steveninck RR, Anderson JC (1998) The metabolic cost of neural information. Nature Neuroscience 1.
- Lee DN (1976) A theory of visual control of braking based on information about time-to-collision. Perception 5.
- Wikipedia « Flicker fusion threshold »
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme ; elles varient selon l'espèce et les conditions. Si vous utilisez un insecticide, suivez les indications du produit.