Pourquoi voit-on flou les yeux ouverts dans la piscine, alors que les poissons voient net ?
― L'œil humain ne fait la mise au point que grâce à l'air
Sous l'eau, votre œil n'est pas abîmé. Ce qui disparaît, c'est la « frontière avec l'air » qui se trouvait à sa surface externe. L'œil humain confiait environ les deux tiers de sa mise au point à cette frontière. L'œil du poisson, lui, n'a jamais compté dessus.
Une clé est tombée au fond de la piscine. Pour la ramasser, vous osez ouvrir les yeux sous l'eau. Ils sont bien ouverts, mais vous ne voyez que des taches de couleur floues.
Puis vous mettez des lunettes de natation, et le même bassin devient soudain net. L'eau n'était donc pas trouble.
Dans cette même eau, un poisson repère sans peine de minuscules proies. Qu'a donc son œil de plus que le nôtre ?
Deux raisons principales
Ce qui courbe la lumière entrant dans l'œil, c'est en réalité la cornée, à l'avant, plus que le cristallin, en arrière. Mais la cornée ne courbe la lumière que si sa face externe est en contact avec l'air.
La cornée est faite presque entièrement d'eau. Quand l'extérieur est aussi de l'eau, la frontière disparaît pour la lumière, qui traverse alors tout droit.
Inversement, pour fabriquer un « œil fait pour vivre dans l'eau », comme celui du poisson, il faut courber la lumière autrement qu'avec la cornée. Voyons cela pas à pas.
Où la lumière est-elle courbée ?
La lumière ne change de direction que lorsqu'elle traverse en biais la frontière entre deux milieux différents. Le nombre qui mesure cette capacité à dévier la lumière s'appelle l'indice de réfraction : environ 1,00 pour l'air, environ 1,33 pour l'eau. Plus l'écart est grand, plus la lumière est déviée.
L'indice de la cornée humaine est d'environ 1,38. L'écart avec l'air (1,00) atteint donc 0,38, et la cornée est en outre bombée vers l'avant. La lumière venue de l'extérieur est ainsi fortement rabattue vers l'intérieur dès la surface de la cornée. Cette seule étape fournit environ les deux tiers de la puissance de mise au point dont l'œil a besoin.
Le dernier tiers revient au cristallin, situé plus en arrière. C'est lui qui change d'épaisseur quand on regarde de près : c'est le réglage fin. L'œil humain répartit donc le travail entre une pièce qui courbe beaucoup et une pièce qui ajuste.
Que se passe-t-il quand on entre dans l'eau ?
La cornée est composée d'eau à près de 80 % de son poids. Son indice est donc proche de celui de l'eau, à peine 1,38. L'écart avec l'eau (1,33) n'est que de 0,05.
Pour la lumière, un tel écart équivaut presque à une absence de frontière. La belle surface bombée ne sert plus à rien, et la lumière entre presque en ligne droite. Le cristallin seul n'a pas assez de force : la lumière converge non pas sur la rétine, mais bien plus loin derrière. C'est la situation à droite de la figure 1.
Si les lunettes de natation marchent, ce n'est pas parce qu'elles corrigent la vue. Elles recréent simplement une petite poche d'air devant l'œil, si bien que l'extérieur de la cornée est de nouveau de l'air. Une fois la frontière perdue rendue, l'œil retrouve sa vision habituelle sans rien avoir changé.
Comment le poisson a-t-il résolu le problème ?
Chez le poisson aussi, l'extérieur de la cornée est de l'eau. Courber la lumière avec la cornée lui est donc impossible dès le départ. Il a alors confié tout ce travail au cristallin.
Le cristallin du poisson n'est pas aplati comme le nôtre : c'est une sphère presque parfaite. Il est si dur qu'on peut le pincer entre les doigts, et sorti de l'œil, il ressemble à une petite bille. De plus, son indice augmente vers le centre, si bien qu'une seule sphère concentre la lumière en un point sans la faire baver.
La mise au point aussi diffère. Nous changeons l'épaisseur du cristallin, mais celui du poisson est dur et ne peut pas se déformer. De petits muscles le déplacent donc d'avant en arrière, comme on fait sortir l'objectif d'un appareil photo. La figure 2 met cette différence côte à côte, à droite.
Les manchots et les cormorans repèrent leurs proies dans l'air comme sous l'eau. Leur cornée est peu bombée et leur cristallin peut beaucoup changer de forme : on pense qu'ils compensent ainsi par eux-mêmes ce qui manque sous l'eau. Les otaries et les phoques ont choisi une autre solution : leur cornée est presque plate, et leur œil est adapté à l'eau dès le départ. En contrepartie, on pense qu'ils voient un peu comme des myopes sur la terre ferme.
Si l'on entre dans l'eau avec ses lentilles, celles-ci risquent de partir, mais surtout des micro-organismes de l'eau peuvent se loger entre la lentille et l'œil. Cela peut, rarement, causer une infection de la cornée difficile à guérir. Les sociétés japonaises d'ophtalmologie et les fabricants recommandent donc de les retirer pour nager, ou d'utiliser des lunettes de natation à verres correcteurs.
En résumé
Si l'on voit flou sous l'eau, ce n'est pas que l'œil soit vaincu par l'eau. C'est que l'œil humain est conçu en comptant sur une pièce : l'air. Le poisson, lui, ne compte pas sur cette pièce et a choisi une autre réponse : une lentille sphérique et dure. Le mot « œil » est le même, mais le plan de construction est différent.
L'œil humain est complet avec l'air.
L'œil du poisson est complet avec l'eau, dès l'origine.
La lumière courbée à une frontière, vous pouvez l'observer sous une forme encore plus familière dans Pourquoi une paille plongée dans l'eau semble-t-elle brisée ? Si l'on voit mal dans le noir, c'est un autre mécanisme. Lisez aussi Pourquoi ne voit-on plus rien un moment en entrant dans une pièce sombre après un endroit lumineux ?
- Remplissez une cuvette d'eau, plongez-y le visage et regardez à l'œil nu une serviette à motifs posée au fond. Mettez ensuite des lunettes de natation et regardez le même objet : l'eau est la même, mais la vue change.
- Posez un petit dessin au fond d'un verre vide et regardez-le d'en haut. Versez doucement de l'eau : le dessin semble se soulever un peu. C'est la preuve que la frontière entre l'eau et l'air courbe la lumière.
- Si vous achetez un poisson entier, regardez son œil. Derrière la partie noire, il y a une sphère dure et transparente. Sa forme n'a rien à voir avec celle du cristallin humain.
Pour l'expérience du visage dans l'eau, utilisez toujours une cuvette peu profonde, sous la surveillance d'un adulte. En cas de douleur aux yeux, arrêtez aussitôt et rincez à l'eau du robinet.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours universitaires spécialisés
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique du lycée (ondes et lumière)
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu traité en encadré dans les manuels
- Univ.Cours universitaires spécialisés non vus au lycée (optique physiologique, ophtalmologie comparée)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, pas même enseignés comme acquis à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Indice de réfraction : nombre qui indique à quel point la lumière avance difficilement dans une matière. Avec le vide pour référence (1), il vaut environ 1,00 pour l'air, 1,33 pour l'eau et 1,38 pour la cornée.
- Puissance optique : grandeur qui mesure la capacité d'une lentille ou d'une surface sphérique à courber la lumière. Son unité est la dioptrie, l'inverse de la distance focale mesurée en mètres.
- Accommodation : fonction qui règle la mise au point selon la distance. L'humain change l'épaisseur de son cristallin ; beaucoup de poissons déplacent leur cristallin d'avant en arrière.
CollègeLycéeVérifier par la formule : combien de dioptries l'œil perd-il sous l'eau ?
Le sujet de cet article est « combien de puissance la cornée perd-elle sous l'eau ». Calculons cette quantité à partir de la formule de la réfraction sur une surface sphérique.
| En symboles | P ＝ ( N₂ － N₁ ) ÷ R |
| En mots | puissance optique ＝ (indice côté arrière － indice côté avant) ÷ rayon de courbure |
| D'où vient-elle ? | C'est la loi de la réfraction à une frontière, appliquée aux rayons qui passent près de l'axe de l'œil : on l'appelle la formule de la réfraction sphérique. Si les indices sont identiques de part et d'autre, la soustraction donne zéro et la puissance disparaît. |
| Indice de la cornée | environ 1,376 |
| Indice de l'air / indice de l'eau | environ 1,000 / environ 1,333 |
| Rayon de courbure de la surface de la cornée (symbole R, en mètres) | environ 0,0078 (7,8 millimètres) |
| Puissance nécessaire à l'œil entier | environ 60 dioptries |
| Écart avec l'air | 1,376 － 1,000 ＝ 0,376 |
| Puissance de la cornée dans l'air | 0,376 ÷ 0,0078 ≒ 48 |
| Écart avec l'eau | 1,376 － 1,333 ＝ 0,043 |
| Puissance de la cornée sous l'eau | 0,043 ÷ 0,0078 ≒ 5,5 |
| Perte en entrant dans l'eau | 48 － 5,5 ＝ 42,5 |
| Équivalent en lunettes de lecture (2,5) | 42,5 ÷ 2,5 ＝ 17 |
Sur les quelque 60 dioptries dont l'œil entier a besoin, 42,5 disparaissent d'après ce calcul. Des lunettes de lecture font environ 2,5 dioptries : c'est donc la puissance de 17 paires qui s'évanouit d'un coup. Il est normal que tout soit flou.
LycéeLycée+Quelle est la puissance de la lentille sphérique du poisson ?
LycéeLe cristallin du poisson est une sphère : une fois son rayon connu, sa distance focale l'est presque aussi. On sait depuis longtemps que la distance focale vaut environ 2,55 fois le rayon ; c'est le rapport de Matthiessen. Pour un cristallin de 3 millimètres de rayon, soit 0,003 mètre, 2,55 × 0,003 ＝ 0,00765 est la distance focale en mètres. Sous l'eau, la puissance est 1,333 ÷ 0,00765 ≒ 174, soit environ trois fois celle de l'œil humain entier. Cette seule sphère assure donc aussi la part de la cornée.
Lycée+Avec une simple bille de verre, la lumière passant en périphérie convergerait avant celle passant par le centre, et l'image serait baveuse. C'est l'aberration sphérique. Le cristallin du poisson est une lentille à gradient d'indice, plus élevé au centre, qui annule presque cette aberration. La différence décisive avec une bille de verre uniforme est que, dans cette lentille, la lumière suit une courbe douce.
Univ.Œil modèle et vision sous l'eau vue par l'ophtalmologie comparée
En ophtalmologie, on traite l'optique de l'œil avec l'œil modèle de Gullstrand, qui remplace la cornée et le cristallin par quelques surfaces sphériques. Si l'on remplace l'air extérieur par de l'eau dans ce modèle, on retrouve exactement le calcul de cet article : on obtient une hypermétropie d'environ 40 dioptries ou plus. La conception des lentilles à gradient d'indice et l'accommodation des animaux qui voient dans l'air et dans l'eau sont des sujets majeurs de l'ophtalmologie comparée.
📖 Pour la démonstration de la formule et plus loin : Puissance optique (Wikipédia japonais) ／ Cristallin (Wikipédia japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Comment le gradient se forme-t-il ? On pense que le gradient d'indice du cristallin des poissons est déterminé par la répartition de la concentration en cristallines, des protéines. Mais comment sa forme se maintient quand le corps grandit n'est pas encore entièrement expliqué.
- Jusqu'où l'entraînement permet-il de voir ? Des enfants de peuples marins auraient montré une bonne acuité à l'œil nu sous l'eau, ce qu'on attribue à une forte contraction de la pupille. Jusqu'où l'entraînement permet de le reproduire reste débattu.
- Les limites d'un œil à double usage. On ne sait pas jusqu'à quel point les animaux qui gardent une bonne acuité dans l'air et sous l'eau compensent par l'accommodation : les mesures varient beaucoup selon les espèces, et aucune explication unifiée n'existe.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « l'explication dans l'état actuel des connaissances ». L'optique de l'œil est un domaine ancien, mais la structure fine de chaque animal est encore à l'étude.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : trajet de la lumière / structure de l'œil | Lumière courbée à une frontière, rôles du cristallin et de la rétine |
| Lycée | Physique (ondes et lumière, loi de la réfraction) | Formule de la réfraction sphérique et calcul de puissance |
| Lycée+ | Physique approfondie (aberrations des lentilles) | Aberration sphérique et lentille à gradient d'indice |
| Univ. | Optique physiologique / ophtalmologie comparée | Œil modèle de Gullstrand, analyse de la vision sous l'eau |
| Recherche | Physiologie visuelle / biologie du développement | Comment le gradient d'indice se forme et se maintient |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi les lunettes de natation marchent, pourquoi retirer ses lentilles dans l'eau |
- 屈折力 ― Wikipédia japonais (définition de la puissance optique et de la dioptrie)
- 水晶体 ― Wikipédia japonais (structure et accommodation du cristallin)
- Valeurs standard de la puissance de la cornée et du cristallin d'après l'œil modèle de Gullstrand, largement présentées dans les manuels d'ophtalmologie et d'optique physiologique.
- Rapport de Matthiessen (relation selon laquelle, pour le cristallin sphérique des poissons, la distance focale vaut environ 2,5 fois le rayon). Issu d'un rapport de L. Matthiessen au XIXᵉ siècle, il est encore cité aujourd'hui dans les synthèses d'ophtalmologie comparée.
- Précautions concernant la natation avec des lentilles de contact. D'après les informations grand public des sociétés japonaises d'ophtalmologie et des fabricants.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur, données pour comprendre le mécanisme. Pour tout problème oculaire ou l'usage des lentilles de contact, suivez les conseils d'un ophtalmologiste et la notice du fabricant.