Comment les oiseaux chanteurs pourraient percevoir les lignes du champ magnétique terrestre
Chaque année, de petits oiseaux chanteurs migrateurs pesant moins de 50 grammes parcourent seuls, de nuit, des milliers de kilomètres pour rejoindre leurs quartiers d’hiver avec une précision remarquable. S’orientant grâce aux étoiles, aux repères du paysage et à leur odorat, ils sont également capables de percevoir la direction du faible champ magnétique terrestre. Malgré plus de cinquante ans de recherches, le mécanisme biophysique à l’origine de cet étonnant sens magnétique demeure largement méconnu. Le projet QuantumBirds(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par le CER, révèle que la réponse pourrait bien résider dans la physique quantique. En réunissant des spécialistes de mécanique quantique, de chimie du spin, de biologie comportementale et de biochimie, les chercheurs ont testé une hypothèse audacieuse: ces oiseaux «voient» le champ magnétique terrestre grâce à des intermédiaires chimiques transitoires induits par la lumière, appelés paires radicalaires, présents dans les protéines cryptochromes de leur rétine.
Comment les oiseaux s’orientent grâce à la mécanique quantique
«À première vue, l’idée qu’une réaction chimique puisse servir de boussole semble absurde», explique Peter Hore, co-responsable de l’étude. Les molécules individuelles sont si faiblement magnétiques que leur interaction avec le champ magnétique terrestre est un million de fois plus faible que celle d’une liaison chimique classique. Cet argument thermodynamique fait toutefois abstraction des propriétés quantiques uniques des paires radicalaires à courte durée de vie. «Lorsque la lumière frappe ces protéines, les paires radicalaires formées se trouvent dans un état de superposition quantique et présentent des oscillations cohérentes appelées battements quantiques. Dans cet état quantique particulièrement fragile, le rendement de la réaction chimique est extrêmement sensible à l’orientation d’un champ magnétique externe. Les informations de navigation sont ainsi directement encodées dans le système visuel de l’oiseau», explique Peter Hore.
Qu’est-ce que le cryptochrome-4a dans les yeux des oiseaux?
Pour vérifier cette hypothèse, QuantumBirds s’est penché sur trois questions. La première était de déterminer si les protéines aviaires pouvaient réellement agir comme des récepteurs magnétiques. L’équipe en a apporté la preuve en montrant que le cryptochrome-4a(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) du rouge-gorge européen est sensible aux faibles champs magnétiques, la première démonstration directe qu’une molécule impliquée dans la vision possède de telles propriétés. Pour ce faire, les chercheurs ont mis au point des spectromètres d’une très grande sensibilité ainsi qu’une plateforme à haut débit capable de purifier plus de quarante variantes de protéines provenant de différentes espèces. L’équipe a ensuite cherché à déterminer si les neurones de la rétine encodaient effectivement les informations magnétiques issues du cryptochrome. En adaptant des techniques de neurosciences habituellement utilisées chez les rongeurs, l’équipe a mis au point le premier dispositif au monde d’imagerie calcique biphotonique non magnétique, capable d’enregistrer des signaux magnétiques dans les cellules nerveuses de la rétine des oiseaux. À leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que la rétine interne fonctionne en permanence en situation de déficit d’oxygène. Cette découverte explique des décennies de difficultés expérimentales et ouvre la voie à l’imagerie des cellules sensibles au champ magnétique. Enfin, QuantumBirds a cherché à déterminer si le cryptochrome constituait la principale molécule impliquée dans cette boussole biologique. «Nous sommes sur le point d’obtenir une réponse définitive grâce à une expérience sophistiquée de substitution isotopique.» «Des simulations informatiques ont révélé que le remplacement des isotopes naturels du carbone 12 par des isotopes du carbone 13 dans les molécules de flavine de l’œil modifierait la façon dont les oiseaux réagissent aux champs de radiofréquences perturbateurs», explique Henrik Mouritsen, co-chercheur principal. «Après avoir mis au point une méthode permettant d’introduire ces flavines marquées au carbone 13 chez des oiseaux vivants, nous menons actuellement des tests comportementaux afin de déterminer si leur orientation s’en trouve modifiée. Si les résultats sont concluants, ils apporteront une preuve irréfutable de l’existence de cette boussole quantique», ajoute-t-il.
Technologies futures inspirées du sens magnétique des oiseaux
Une meilleure compréhension des mécanismes de navigation des oiseaux pourrait permettre aux spécialistes de la conservation de rediriger des espèces migratrices menacées vers des habitats plus résilients face au changement climatique, en contournant leur instinct qui les pousse à revenir sur des sites dégradés. Plus remarquable encore, cette boussole biologique pourrait également inspirer de nouvelles technologies. Les mêmes phénomènes de physique quantique étant à l’œuvre dans les LED organiques, les scientifiques pourraient s’en inspirer pour développer des capteurs magnétiques peu coûteux et non toxiques. Des recherches parallèles sur le cryptochrome des oiseaux pourraient également déboucher sur des systèmes de navigation alternatifs dans les environnements où les signaux GPS sont bloqués ou compromis.
