Comment le serpent repère-t-il sa proie dans le noir complet ?
― Grâce à de petits trous sur le visage, il « voit » la lumière de la chaleur corporelle
Par une nuit sans lune, dans une obscurité où les yeux ne servent presque à rien, le serpent saute avec précision sur la souris. Son indice : la lumière invisible que dégage un corps chaud. La vipère et le habu ont sur le visage un « deuxième œil » qui perçoit cette lumière.
Un matin d'hiver, vous approchez la main d'un poêle. Sans le toucher, votre paume se réchauffe doucement. Quelque chose d'invisible vient du poêle jusqu'à vous.
Maintenant, les yeux fermés, pourriez-vous indiquer du doigt où se trouve le poêle dans la pièce ? Vous devineriez la direction générale, mais trouver l'endroit exact serait difficile.
Le serpent y parvient avec une chaleur bien plus faible. Sa cible n'est pas un poêle, mais la chaleur d'une seule petite souris.
Deux raisons seulement
Tout objet émet une lumière qui dépend de sa température. À la température du corps, c'est de l'« infrarouge », dont les ondes sont plus longues que celles de la lumière visible. Dans le noir, la souris brille faiblement en infrarouge.
Entre l'œil et la narine de la vipère et du habu, il y a une petite fossette. Au fond est tendue une membrane très fine. L'entrée est étroite : selon la direction d'où vient la lumière, la zone chauffée de la membrane change.
Le serpent ne fait donc pas que « sentir » la chaleur : il « voit » d'où elle vient. Prenons les choses dans l'ordre.
Dans le noir, les objets chauds brillent
Le fer du forgeron change de couleur en chauffant, du rouge au blanc. Quand la température baisse, la lueur faiblit, puis devient invisible. Pourtant, la lumière n'a pas cessé d'être émise.
Plus la température baisse, plus les ondes émises sont longues. À la température du corps, la longueur d'onde la plus intense est environ 12 fois celle de la lumière rouge visible. C'est une lumière totalement invisible pour l'œil humain.
Regardez la figure 1. Avec le curseur, vous changez la température de l'objet, et la courbe en forme de colline (l'intensité de la lumière émise) se déplace. La fine bande à gauche est le domaine de la lumière visible. La colline de la température corporelle en est très éloignée, vers la droite.
Regardez aussi les deux barres du bas. Un objet à 37 °C émet environ 30 % d'infrarouges de plus qu'un sol à 17 °C. Dans la forêt la nuit, la souris apparaît donc comme un « point lumineux » sur un sol refroidi.
La membrane au fond de la fossette lit la direction de la lumière
Le « œil thermique » du serpent s'appelle l'organe facial (ou fossette thermosensible). Comme le montre la partie gauche de la figure 2, chez la vipère, il y a un creux entre l'œil et la narine. Chez les pythons et les boas, de petites fossettes s'alignent le long des lèvres.
La partie droite de la figure 2 montre l'intérieur de la fossette. Au fond est tendue une membrane très fine, d'environ 0,015 mm d'épaisseur. Derrière elle se trouve une chambre d'air, qui limite les pertes de chaleur. Fine et légère, elle chauffe vite sous un faible rayonnement infrarouge.
Sur la membrane se pressent des terminaisons nerveuses sensibles aux variations de température. On dit qu'elles détectent des changements d'environ un millième de degré.
L'entrée étant étroite, la fossette fonctionne comme une « chambre noire à sténopé ». La lumière venue d'en haut à gauche frappe le bas de la membrane, celle venue d'en bas à gauche en frappe le haut. En comparant les deux fossettes, une à gauche et une à droite, la direction devient encore plus nette.
D'anciennes expériences auraient montré qu'un crotale aux yeux bouchés peut encore frapper avec précision une cible chaude. On pense que le cerveau superpose l'image venue des yeux et celle venue des fossettes.
Si votre main est chaude devant le poêle, c'est que votre peau reçoit aussi des infrarouges. Mais la peau est épaisse, elle chauffe mal et ne peut pas former une « image » de l'endroit touché. Le serpent, lui, transforme la même lumière en « image » grâce à une membrane fine et à une entrée étroite.
La chauve-souris vampire détecterait, autour de son nez, la position des vaisseaux sanguins chauds de sa proie. Certains coléoptères sont attirés par la chaleur des incendies de forêt. On pense que chacun a acquis cette capacité de façon indépendante, séparément du serpent.
En résumé
Les êtres vivants à sang chaud brillent faiblement en infrarouge, même dans le noir. La vipère et le habu lisent la direction de cette lumière grâce à la fine membrane au fond de leur fossette. Une nuit noire pour l'œil humain est, pour le serpent, un paysage où seule la proie ressort en clair.
L'obscurité n'est pas sombre pour tout le monde.
Le serpent voit la nuit grâce à la « lumière » de la chaleur corporelle.
Sur la lumière émise par les objets chauds, lisez aussi Pourquoi n'a-t-on chaud qu'au visage près d'un feu de camp ? et Comment le forgeron lit la température à la couleur du fer. Pour un animal qui « voit » dans le noir grâce au son, voyez l'article sur la chauve-souris.
- Dans une pièce sombre, posez une tasse chaude à environ 20 centimètres de votre visage, fermez les yeux et essayez de trouver sa direction avec votre joue.
- Placez ensuite un carton entre la tasse et votre visage. Sentez la chaleur disparaître d'un coup avec une seule feuille : comme la lumière, elle va en ligne droite et se laisse bloquer.
- Enfin, appuyez sur votre joue un papier roulé en tube, et pointez-le vers la tasse, puis ailleurs. Comparez : une entrée étroite rend-elle la direction plus facile à repérer ?
Utilisez une boisson chaude à une température qui ne brûle pas. On comprend mieux la fossette du serpent en la voyant comme la méthode du tube, en bien plus petit et bien plus sensible.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours de spécialité à l'université
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « physique » ou de « biologie » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéCours de spécialité universitaire (physique thermique, physiologie sensorielle), non vu au lycée
- RechercheSujet que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseigné comme acquis
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Rayonnement thermique : un objet émet une lumière (une onde électromagnétique) selon sa température et transmet ainsi de la chaleur. Cela marche même sans air entre les deux.
- Infrarouge : lumière invisible dont les ondes sont plus longues que celles du rouge. C'est l'essentiel de la lumière émise par un objet à température corporelle.
- Organe facial (fossette thermosensible) : organe qui perçoit les infrarouges chez les vipères, les pythons et les boas. Chez les vipères, il se trouve entre l'œil et la narine ; on l'appelle aussi fossette loréale.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quelle lumière la souris émet-elle, et avec quelle intensité ?
On calcule la « couleur » (longueur d'onde) et la « luminosité » de la lumière d'une proie à température corporelle, avec deux formules. La température de la peau varie selon l'endroit, dans les 30 °C ; ici, par simplicité, on prend 37 °C.
| En symboles | λ ＝ b ÷ T et M ＝ σ × T⁴ |
| En mots | Longueur d'onde de la lumière la plus intense = constante ÷ température. Intensité émise par 1 mètre carré de surface = constante × température puissance 4 |
| D'où viennent-elles ? | Ce sont les lois de la lumière émise par un « objet idéal » (rayonnement du corps noir), qui ne dépend que de la température. La première est la loi du déplacement de Wien, la seconde la loi de Stefan-Boltzmann. La température se met en kelvins (K). |
| Symbole | Sens et unité |
| λ | Longueur d'onde de la lumière la plus intense (μm ; 1 μm = un millième de millimètre) |
| T | Température absolue de la surface (K). Valeur en ℃ plus 273 |
| b | Constante de Wien. Environ 2898 μm・K |
| M | Intensité de la lumière émise par 1 mètre carré de surface (W/m²) |
| σ | Constante de Stefan-Boltzmann. Environ 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²・K⁴) |
| Constante de Wien | 2898 μm・K |
| Plus grande longueur d'onde de la lumière visible (bord rouge) | Environ 0,78 μm |
| 310 multiplié 4 fois par lui-même | Environ 92,35 milliards (92,35 × 10⁸) |
| Sol de nuit à 17 °C (290 K) : 290 multiplié 4 fois par lui-même | Environ 70,73 milliards (70,73 × 10⁸) |
On considère que la peau et le poil émettent les infrarouges de façon presque idéale (émissivité proche de 1) ; on utilise donc les formules telles quelles. Le 10⁻⁸ de σ et le 10⁸ de la puissance 4 s'annulent.
| Température du corps en kelvins | 37 + 273 ＝ 310 |
| Longueur d'onde la plus intense (μm) | 2898 ÷ 310 ≒ 9,35 |
| Comparée au bord rouge visible | 9,35 ÷ 0,78 ≒ 12,0 |
| Intensité émise par la surface de la proie (W/m²) | 5,67 × 92,35 ≒ 523,6 |
| Intensité émise par le sol (W/m²) | 5,67 × 70,73 ≒ 401,0 |
| Écart par mètre carré (W/m²) | 523,6 − 401,0 ＝ 122,6 |
| Combien de fois plus que le sol | 523,6 ÷ 401,0 ≒ 1,31 |
La lumière de la proie a une longueur d'onde d'environ 9,3 μm, soit environ 12 fois celle de la lumière visible. Elle est environ 1,3 fois plus intense que celle du sol. Invisible pour nous, elle arrive à la fossette comme « un point 30 % plus lumineux sur un fond refroidi ». C'est la position de la colline de la figure 1 et la longueur de la barre du bas.
LycéeLycée+La chaleur voyage sous forme de « lumière »
LycéeLa chaleur se transmet de trois façons : conduction, convection et rayonnement. La fossette utilise le rayonnement ; l'infrarouge est une onde électromagnétique. Ces ondes se propagent sans air, en ligne droite, et peuvent être bloquées. C'est pourquoi elles peuvent porter une information de « direction ».
Lycée+La loi de Planck donne l'intensité du rayonnement du corps noir pour chaque longueur d'onde ; la colline de la figure 1 en est l'allure générale. La position du sommet est donnée par la loi de Wien, et l'aire totale sous la colline correspond à la loi de Stefan-Boltzmann.
UniversitéDans la membrane, comment la chaleur devient-elle un signal nerveux ?
Une étude de 2010 a rapporté que les nerfs de la membrane de la fossette expriment en grande quantité le canal ionique sensible à la température « TRPA1 ». Chez d'autres animaux, cette molécule sert aussi à détecter des irritants ; chez le serpent, on pense qu'elle sert de capteur de la hausse de température due aux infrarouges. La membrane est innervée par le nerf trijumeau, et le signal serait intégré à l'image des yeux dans le tectum optique du mésencéphale. La formation d'image par l'entrée étroite se traite avec l'optique de la caméra à sténopé.
📖 Dérivation des formules et suite : Organe facial (Wikipédia) ／ Loi du déplacement de Wien (Wikipédia)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Avec quelle netteté le serpent « voit »-il ? L'ouverture étant assez large, l'image devrait être floue ; on discute d'un traitement cérébral qui la rendrait nette.
- À quelle distance peut-il sentir une proie ? Cela dépend beaucoup de l'écart de température avec le fond et de la taille, et varie selon les espèces ; on ne peut donc guère donner de valeur fixe.
- Pourquoi des organes semblables sont-ils apparus dans des lignées distinctes ? On pense que les vipères et les pythons et boas ont acquis chacun leur fossette de façon indépendante ; le chemin suivi est encore étudié.
Le contenu de cet article est donc lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Quel paysage le serpent voit-il vraiment ? Seul le serpent peut le dire.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « propagation de la chaleur », « propagation de la lumière » | Les objets à température corporelle émettent une lumière invisible ; la lumière va en ligne droite |
| Lycée | Physique : « ondes électromagnétiques » ; biologie : « réception des stimulus » | Infrarouge ; les nerfs de la membrane perçoivent les variations de température |
| Lycée+ | Physique approfondie : « rayonnement du corps noir » | Loi de Wien, loi de Stefan-Boltzmann |
| Université | Physique thermique, physiologie sensorielle, neurosciences | Canal TRPA1, intégration des images dans le tectum optique, optique du sténopé |
| Recherche | Biologie de l'évolution, écologie sensorielle | Netteté de l'image, distance de détection, raisons de l'apparition indépendante de l'organe |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | La chaleur d'un poêle ; le fonctionnement d'une caméra qui montre la température en couleurs |
- Gracheva, E. O. et al. (2010) Molecular basis of infrared detection by snakes. Nature 464, 1006–1011.
- Newman, E. A. & Hartline, P. H. (1982) The infrared "vision" of snakes. Scientific American 246(3).
- Bullock, T. H. & Diecke, F. P. J. (1956) Properties of an infra-red receptor. Journal of Physiology 134.
- Gracheva, E. O. et al. (2011) Ganglion-specific splicing of TRPV1 underlies infrared sensation in vampire bats. Nature 476.
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., « Rika Nenpyō » (Chronologie scientifique ; constantes physiques : constante de Wien, constante de Stefan-Boltzmann), Maruzen Publishing
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Si vous croisez un serpent dehors, ne le touchez pas et éloignez-vous.