En 2019, si tout se déroule comme prévu, le très retardé télescope spatial James Webb sera enfin mis en orbite. Une fois assemblé, il utilisera un réseau de 18 miroirs hexagonaux pour recueillir et focaliser la lumière des galaxies lointaines. Cette conception de miroirs segmentés a été développée dans les années 1980, et elle a connu un tel succès qu’elle figurera dans presque tous les grands télescopes qui seront construits dans un avenir proche.
Mais comme toujours, la nature est arrivée la première. Pendant des millions d’années, les coquilles Saint-Jacques ont observé le monde à l’aide de dizaines d’yeux, chacun d’entre eux étant doté d’un miroir segmenté qui ressemble étrangement à ceux de nos plus grands télescopes. Et les scientifiques viennent d’en observer un pour la première fois.
Oui, ces coquilles Saint-Jacques – les rondelles de chair blanche poêlées qui ornent nos assiettes. Ces rondelles sont juste les muscles que les animaux utilisent pour fermer leurs magnifiques coquilles. Regardez une coquille Saint-Jacques pleine et vivante, et vous verrez un animal très différent. Et cet animal vous regardera en retour, à l’aide de dizaines d’yeux qui tapissent le manteau charnu sur les bords intérieurs de sa coquille. Certaines espèces ont jusqu’à 200 yeux. D’autres en ont des bleus électriques.
Dans les yeux, la bizarrerie s’accentue. Lorsque la lumière entre dans un œil humain, elle passe par une lentille qui la concentre sur la rétine, une couche de cellules sensibles à la lumière. Lorsque la lumière pénètre dans l’œil d’une coquille Saint-Jacques, elle traverse une structure semblable à une lentille, qui… ne semble rien faire. Elle traverse ensuite deux rétines, superposées l’une sur l’autre. Enfin, il heurte un miroir incurvé à l’arrière de l’œil, qui le renvoie sur les rétines. C’est ce miroir, et non la lentille, qui focalise la lumière entrante, un peu comme le font ceux des télescopes segmentés.
Michael Land, de l’université du Sussex, a découvert une grande partie de ces éléments dans les années 1960, en observant attentivement les yeux au microscope, et en traçant le chemin que la lumière doit emprunter en leur sein. Il a identifié le miroir, a montré qu’il était constitué de cristaux en couches et a suggéré que ces cristaux étaient constitués de guanine, l’un des éléments constitutifs de l’ADN. « C’est très impressionnant de voir que Land avait raison sur presque tout à partir d’approches très simples », déclare Daniel Speiser de l’université de Caroline du Sud, qui étudie également les yeux de pétoncles. « Mais personne n’avait encore obtenu un bon aperçu d’un miroir intact. »
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Le problème est que les puissants microscopes ont tendance à déshydrater les échantillons au cours de leur analyse, ce qui ruinerait le placement des cristaux du miroir. Aujourd’hui, Lia Addadi, de l’Institut Weizmann des sciences, a trouvé un moyen de contourner ce problème. Son équipe, composée de Benjamin Palmer et de Gavin Taylor, a utilisé un microscope qui congèle rapidement les échantillons, de sorte que tout ce qui s’y trouve reste à sa place. Ils ont finalement reconstitué la structure du miroir dans ses moindres détails, confirmant de nombreuses idées de Land, et en étoffant d’autres.
Le miroir est constitué de cristaux de guanine plats et carrés, chacun large d’un millionième de mètre. Ils s’assemblent en tesselles pour former une grille en forme d’échiquier. Entre 20 et 30 de ces grilles s’empilent ensuite les unes sur les autres, avec un espace rempli de liquide entre elles. Les couches sont disposées de manière à ce que les carrés de chacune d’entre elles se trouvent directement sous les carrés de la couche supérieure. Les cristaux et les espaces entre eux ont respectivement 74 et 86 milliardièmes de mètre d’épaisseur, et ces distances exactes signifient que le miroir dans son ensemble est excellent pour réfléchir la lumière bleu-vert – la couleur qui domine l’habitat sous-marin de la coquille Saint-Jacques.
L’ensemble de la structure est une classe de maître en ingénierie de précision. « Lorsqu’il existe une solution physique élégante, le processus évolutif est très bon pour la trouver », explique Alison Sweeney, physicienne à l’Université de Pennsylvanie qui étudie la vision animale.
Cette précision est d’autant plus remarquable que les cristaux de guanine ne se forment pas naturellement en fins carrés. Si vous les cultivez en laboratoire, vous obtenez un prisme trapu. Il est clair que la coquille Saint-Jacques contrôle activement la croissance de ces cristaux, les façonnant au fur et à mesure de leur formation. Les cristaux de guanine se développent en couches, et M. Addadi pense que la coquille Saint-Jacques déplace en quelque sorte l’orientation de chaque couche de 90 degrés par rapport à celles qui se trouvent au-dessus et en dessous. Lorsque les couches se développent vers l’extérieur, elles le font dans quatre directions seulement, créant ainsi un carré. La façon dont elle fait cela est un mystère, comme tout le reste de la façon dont les miroirs se forment.
De plus, le miroir n’est pas une structure inanimée dans l’œil. C’est un être vivant. Les cristaux carrés se développent à l’intérieur des cellules de l’œil de la coquille Saint-Jacques, les remplissant. Ce sont les cellules qui s’assemblent ensuite en tesselles pour former les couches. « Les cellules ne peuvent pas être mortes », explique M. Addadi, « sinon l’ensemble se désagrège. » Ainsi, non seulement les cellules doivent contrôler la croissance des cristaux en leur sein, mais elles doivent également communiquer entre elles pour se disposer de la sorte. « Comment font-elles cela ? Je ne le sais vraiment pas », ajoute-t-elle.
Quel que soit leur stratagème, il produit clairement des résultats. La vision des coquilles Saint-Jacques ne rivalisera pas avec la nôtre de sitôt, mais elle est bien plus fine que ce à quoi on pourrait s’attendre pour un animal qui est essentiellement une palourde de luxe. M. Speiser l’a démontré il y a dix ans en plaçant des pétoncles dans de petits sièges et en projetant des films de particules alimentaires à la dérive. Même lorsque les particules ne faisaient que 1,5 millimètre de large, les coquilles Saint-Jacques ouvraient leur coquille, prêtes à se nourrir. « L’idée que ces animaux forment de très belles images avec leurs yeux me semble très solide », dit Speiser.
L’équipe d’Addadi a également remarqué que le miroir de la coquille Saint-Jacques est légèrement incliné par rapport à ses rétines. En conséquence, le miroir concentre la lumière du centre du champ visuel de l’animal sur la rétine supérieure, et la lumière de la périphérie sur la rétine inférieure. C’est peut-être pour cela que la créature a deux rétines : Elles lui permettent de se concentrer sur différentes parties de son environnement en même temps.
« C’est une étude vraiment étonnante », déclare Jeanne Serb de l’université d’État de l’Iowa, qui a également étudié les yeux des pétoncles. Elle permet de résoudre le mystère de la double rétine – quelque chose que les scientifiques ont longtemps essayé d’aborder, sans succès.
Mais Speiser n’est pas complètement convaincu. Il dit que les yeux se déforment facilement lorsqu’ils sont disséqués, et que même un léger écrasement pourrait changer l’orientation du miroir et des rétines. Pourtant, il n’a pas de meilleure explication, bien qu’il ait testé plusieurs idées possibles au cours des 12 dernières années. « Rien n’a été vérifié, et cette hypothèse est aussi bonne qu’une autre », dit-il.
Le prochain grand objectif pour les aficionados de la coquille Saint-Jacques, ajoute-t-il, est de comprendre pourquoi les coquilles Saint-Jacques ont autant d’yeux. Ils lui permettent probablement de balayer une large zone, mais considère-t-il les informations de chaque œil séparément, ou les combine-t-il toutes en une seule image ? Après des siècles d’études, les scientifiques savent enfin comment chaque œil individuel voit. Mais « nous n’avons toujours aucune idée de ce que l’animal dans son ensemble perçoit », précise-t-il.