Pourquoi l'œil humain ne voit-il pas les ultraviolets ?
― La rétine pourrait les sentir, mais le cristallin les absorbe avant
Les ultraviolets sont une lumière assez puissante pour provoquer des coups de soleil. Pourtant, l'œil humain ne les voit pas du tout. En réalité, le capteur au fond de l'œil garde une légère sensibilité aux UV. Ce qui nous empêche de les voir, c'est la lentille transparente placée devant lui : elle les arrête avant qu'ils n'atteignent la rétine.
Vous avez joué dehors par temps légèrement couvert, et le soir, vos bras sont rouges. Pourtant, vous n'avez presque pas eu l'impression d'être ébloui.
Dans le jardin, les abeilles foncent droit sur les fleurs. On pense que leurs yeux perçoivent sur les pétales des motifs ultraviolets invisibles pour nous.
Nous recevons tous la même lumière, mais seul l'humain ne la voit pas. Alors, où les ultraviolets sont-ils arrêtés ?
Deux raisons expliquent cette invisibilité
La lentille qui fait la mise au point dans l'œil (le cristallin) laisse passer la lumière visible. Mais elle laisse presque pas passer les ultraviolets. Comme ils n'atteignent pas la rétine, ils restent invisibles.
Les ultraviolets transportent, grain par grain, beaucoup d'énergie. L'œil humain est un organe utilisé toute une vie : on pense qu'il a « choisi » de protéger la rétine plutôt que de capter cette lumière.
En somme, ce n'est pas qu'on « ne peut pas les sentir » : c'est qu'on les empêche délibérément d'arriver jusqu'au bout. Voyons cela dans l'ordre.
Où, dans l'œil, les ultraviolets sont-ils arrêtés ?
La lumière traverse la membrane transparente à la surface de l'œil (la cornée), puis le cristallin, avant d'atteindre la rétine au fond. Des cellules sensibles à la lumière y sont alignées. Seule la lumière qui arrive jusque-là est « vue ».
Regardez la figure 1. Les ultraviolets de longueur d'onde la plus courte sont presque entièrement absorbés dès la cornée, la toute première barrière. Ceux dont la longueur d'onde est un peu plus grande traversent la cornée, mais sont arrêtés par le cristallin, juste après. Chez l'adulte, c'est là que la majeure partie des ultraviolets serait absorbée.
Chose intéressante : côté rétine, une légère sensibilité aux ultraviolets subsiste. Les cellules sensibles au bleu pourraient réagir jusqu'à la limite des ultraviolets. Ce qui bloque, c'est bien le cristallin, en amont.
Sans cristallin, les ultraviolets deviennent visibles
C'est ce qu'a vérifié, dans les années 1940, le chercheur américain George Wald. Il a fait regarder des lumières de longueurs d'onde progressivement variées à des personnes dont le cristallin avait été retiré lors d'une opération de la cataracte.
Résultat : une partie des ultraviolets, invisible pour une personne ordinaire, aurait été perçue comme une lumière bleu-violet floue. La cause de l'invisibilité n'était donc pas la rétine, mais bien le cristallin.
Le peintre Monet a subi une opération de la cataracte à la fin de sa vie. Le bleu-violet devenu plus présent dans ses œuvres ultérieures laisse penser qu'il aurait perçu une partie des ultraviolets. Mais on ne peut plus examiner ses yeux : l'hypothèse n'a jamais été vérifiée.
Les abeilles et de nombreux oiseaux possèdent des cellules sensibles aux ultraviolets. Chez le renne de l'Arctique, dont le cristallin laisse passer les UV, cela faciliterait la distinction entre les lichens absorbant les UV sur la neige et la fourrure de ses prédateurs, qui se confond avec le blanc. Dans les régions polaires, où la lumière hivernale est rare, exploiter le moindre photon disponible serait précieux.
Pourquoi les arrêter délibérément ?
Regardez le chiffre en bas de la figure 1. Plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie transportée par un grain de lumière est grande. Un grain d'ultraviolet transporte plus de 50 % d'énergie en plus qu'un grain de lumière verte visible.
Les cellules de la rétine ne se renouvellent presque jamais au cours d'une vie. Exposées pendant des décennies à des grains aussi énergétiques, elles accumuleraient des dommages. En les arrêtant au niveau du cristallin, l'œil protégerait cette rétine précieuse.
Une autre raison concerne la mise au point. Plus la longueur d'onde est courte, plus elle est déviée fortement par le cristallin. Si les ultraviolets étaient captés, leur point de mise au point se décalerait par rapport aux autres couleurs, brouillant l'image. Pour un œil qui doit distinguer de fins détails, cela serait désavantageux.
Le cristallin se teinte progressivement de jaune avec l'âge. Il devient alors moins perméable non seulement aux ultraviolets, mais aussi à la lumière bleue. C'est pourquoi les personnes âgées distinguent moins bien le bleu du bleu marine. À l'inverse, le cristallin des enfants, transparent, laisserait passer plus d'ultraviolets que celui d'un adulte.
En résumé
La rétine humaine garde une légère sensibilité aux ultraviolets. Pourtant, nous ne les voyons pas, car le cristallin, en amont, les absorbe avant qu'ils n'atteignent le fond de l'œil. Leur invisibilité ne signifie pas qu'ils sont faibles. C'est même parce qu'ils sont puissants que l'œil les empêche d'arriver. Par temps couvert ou sur la neige, même sans sensation d'éblouissement, les ultraviolets sont bien présents.
Les ultraviolets ne sont pas invisibles parce que l'œil est peu sensible.
Ils sont invisibles parce que l'œil protège la rétine d'une lumière trop intense.
L'histoire de la couleur des étoiles qui s'efface dans l'œil est racontée dans « Les étoiles ont des couleurs, alors pourquoi le ciel nocturne nous les montre presque toutes blanches ? », et le mécanisme d'adaptation de l'œil à l'obscurité dans « Pourquoi, en entrant dans une pièce sombre depuis un endroit lumineux, on ne voit plus rien pendant un moment ? ».
- Par une journée ensoleillée, posez côte à côte en plein soleil une feuille blanche et une chemise blanche (lavée avec de la lessive). La chemise peut sembler briller d'un éclat bleu-blanc. Les agents de la lessive transforment les ultraviolets invisibles en lumière bleue.
- Comparez à l'intérieur et en plein soleil des perles qui changent de couleur sous UV (vendues en magasin de loisirs créatifs). Vérifiez que la couleur change même par temps couvert.
- Placez des lunettes de soleil ou une vitre au-dessus des perles en plein soleil, et observez la différence dans le changement de couleur.
※Ne regardez jamais directement le soleil. Comme les ultraviolets sont invisibles, l'œil ne peut pas percevoir leur intensité.
Pour en savoir plus ― termes, formules, liens avec les manuels scolairesDu collège à l'université, le niveau de chaque notion est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique » et « biologie » du lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière universitaire spécialisée (physiologie visuelle, photochimie)
- RecherchePas encore un « savoir établi », même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeTermes : ce phénomène a un nom
- Lumière visible : lumière perceptible par l'œil humain, dont la longueur d'onde se situe environ entre 400 et 780 nanomètres.
- Ultraviolets : lumière invisible, de longueur d'onde plus courte que le violet. Ceux qui atteignent le sol sont principalement les UVA et les UVB.
- Cristallin : lentille transparente de l'œil assurant la mise au point. Elle absorbe la majeure partie des ultraviolets.
- Œil aphaque : œil dont le cristallin a été retiré, par chirurgie par exemple. Une sensibilité partielle aux ultraviolets y a été rapportée.
CollègeLycéeVérification par le calcul : un grain d'ultraviolet est-il combien de fois plus énergétique qu'un grain de lumière verte ?
La lumière se comporte comme un ensemble de grains d'énergie (photons). Comparons l'énergie d'un seul grain entre la lumière verte visible et les ultraviolets.
| En symboles | E = h × c ÷ λ |
| En mots | Énergie d'un grain de lumière = constante de Planck × vitesse de la lumière ÷ longueur d'onde |
| Origine de la formule | Relation de Planck et Einstein : l'énergie d'un grain de lumière est proportionnelle à sa fréquence. La fréquence étant la vitesse de la lumière divisée par la longueur d'onde, plus celle-ci est courte, plus le grain est énergétique |
| E | Énergie d'un grain de lumière (en électron-volts) |
| h | Constante de Planck |
| c | Vitesse de la lumière |
| λ | Longueur d'onde de la lumière (en nanomètres) |
| Produit h × c (en électron-volts et nanomètres) | environ 1240 |
| Longueur d'onde de la lumière verte | 550 nanomètres |
| Exemple de longueur d'onde UVA arrêtée par le cristallin | 350 nanomètres |
| Limite entre lumière visible et ultraviolet | environ 400 nanomètres |
| Un grain de lumière verte | 1240 ÷ 550 ≒ 2,25 électron-volts |
| Un grain à la limite (400 nanomètres) | 1240 ÷ 400 = 3,1 électron-volts |
| Un grain d'ultraviolet (350 nanomètres) | 1240 ÷ 350 ≒ 3,54 électron-volts |
| Rapport ultraviolet / lumière verte | 3,54 ÷ 2,25 ≒ 1,57 fois |
Un grain d'ultraviolet transporte environ 1,6 fois plus d'énergie qu'un grain de lumière verte. Rompre une liaison moléculaire demande souvent autour de 3 électron-volts. Les ultraviolets franchissent justement ce seuil. Ces chiffres éclairent l'intérêt de les arrêter avant la rétine.
LycéeLycée+Longueur d'onde, couleur et structure de l'œil
LycéeLa lumière est une onde électromagnétique dont la longueur d'onde détermine la couleur. Les cônes de la rétine comptent trois types, sensibles respectivement au rouge, au vert et au bleu. Les cônes sensibles au bleu auraient une sensibilité qui s'étend presque jusqu'à la limite des ultraviolets.
Lycée+L'indice de réfraction variant selon la longueur d'onde, le cristallin fait converger chaque couleur à un point légèrement différent. C'est ce qu'on appelle l'aberration chromatique. Plus la longueur d'onde est courte, plus l'écart est grand ; capter les ultraviolets accentuerait donc le flou de l'image.
UniversitéGrains de lumière et mécanisme de protection de l'œil
L'énergie d'un photon est donnée par la relation de Planck-Einstein. Les ultraviolets peuvent casser directement des molécules ou déclencher des réactions photochimiques génératrices de radicaux libres. Le cristallin contiendrait des substances absorbant les ultraviolets, protégeant ainsi la rétine des dommages photochimiques. En contrepartie, les protéines du cristallin exposées durablement aux ultraviolets se dénatureraient plus facilement, ce qui contribuerait à la cataracte.
📖 Pour la démonstration des formules et approfondir : Photon（Wikipédia, en japonais） ／ Ultraviolet（Wikipédia, en japonais）
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Les ancêtres de l'humain voyaient-ils les ultraviolets ? On pense que les ancêtres de nombreux mammifères possédaient des cellules sensibles aux ultraviolets ; on étudie encore quand et pourquoi cette capacité a disparu dans la lignée humaine.
- Le renne n'abîme-t-il pas son œil ? On ignore encore bien comment l'œil du renne, perméable aux ultraviolets, protège sa rétine sur une banquise soumise à de fortes réflexions.
- Vision après remplacement du cristallin. La plupart des lentilles artificielles bloquent les ultraviolets, mais la perception et les effets à long terme chez les porteurs de lentilles qui les laissent passer sont encore en cours d'étude.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans l'état actuel des connaissances ». La question du « pourquoi cette capacité a-t-elle fini par être bloquée » relève notamment d'une hypothèse qui fait consensus, mais reste une hypothèse.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « propriétés de la lumière », « structure de l'œil » | Rôles de la cornée, du cristallin, de la rétine |
| Lycée | Physique « ondes électromagnétiques » / Biologie « vision » | Longueur d'onde, couleur, cônes |
| Lycée+ | Physique « lentilles et aberration chromatique » | Décalage de mise au point |
| Université | Photochimie, physiologie visuelle | Énergie des photons et dommages rétiniens |
| Recherche | Évolution de la vision | Vision UV des ancêtres, œil du renne |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Protection contre les UV par temps couvert ou sur la neige, lunettes de soleil anti-UV |
- Wald, G. (1945) Human vision and the spectrum. Science 101: 653–658.
- Hogg, C. et al. (2011) Arctic reindeer extend their visual range into the ultraviolet. Journal of Experimental Biology 214: 2014–2019.
- Cristallin（Wikipédia, en japonais）
- Ministère japonais de l'Environnement, « Manuel de santé environnementale sur les ultraviolets » (環境省「紫外線環境保健マニュアル」)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La longueur d'onde limite de l'absorption varie selon l'âge et les individus. En cas de trouble visuel, consultez un ophtalmologiste.