Yeux

Œil

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Œil humain
Schéma d'un œil humain

L'œil (au pluriel les yeux) est l'organe de la vision, sens qui permet à un être vivant de capter la lumière pour ensuite l'analyser et interagir avec son environnement

Dans le monde animal, il existe au moins quarante types d'organes visuels que l'on appelle « yeux ». Cette diversité pose la question de l'origine de la perception visuelle. Les yeux les plus simples sont tout juste capables de déceler la différence entre lumière et obscurité tandis que les yeux les plus complexes, comme l'œil humain, permettent de distinguer les formes et les couleurs.

Sommaire

La formation d'une image

La rhodopsine bovine, constituée d'une opsine et d'un chromophore.

Tout mécanisme formant une image doit être capable de percevoir les différences d'intensité entre les différentes directions d'incidence de la lumière. L'œil doit donc être capable de détecter la lumière, détecter sa direction, et établir une relation hiérarchique entre les signaux provenant des différentes directions.

La perception de la lumière dans l'œil se fait grâce à des pigments, composé de deux parties liées covalemment: une partie protéique, l'opsine et une partie lipidique dérivée de la vitamine A, le chromophore. Le pigment est disposé dans la membrane des cellules photoréceptrices, et est constituée de 7 hélices transmembranaires disposées en cercle dans la membrane autour du chromophore. C'est l'absorption d'un photon par le chromophore, permettant le passage de la configuration 11-cis du chromophore à une configuration all-trans, qui permet la sensibilité à la lumière. Une fois le pigment excité, l'opsine permet l'activation d'une protéine G via une de ses boucles cytoplasmiques, ce qui déclenche ensuite la réponse cellulaire.

La perception de la direction nécessite de concentrer les rayons lumineux provenant d'une même direction de l'espace sur un faible nombre de photorécepteurs de la rétine, lesquels doivent être regroupés spatialement. Il existe de nombreuses manière de regrouper les rayons lumineux d'une même direction dans le monde animal, apparues indépendamment au cours de l'évolution. On peut cependant diviser les différentes méthodes en trois grandes stratégies: Les rayons lumineux ne provenant pas de la bonne direction sont éliminés par ombrage d'une autre structure de l'œil sur la rétine, les rayons d'une même direction sont incurvés et orientés vers un même point de la rétine par réfraction, ou les rayons sont dirigés sur les photorécepteurs par réflexion sur un miroir concave disposé derrière la rétine. Ainsi, chaque photorécepteur ou groupe de photorécepteur détecte la lumière provenant d'une direction.

Enfin, la comparaison des intensité lumineuse issues d'une même direction de l'espace nécessite une intégration des signaux électriques fournis par les neurones photorécepteurs. Cette intégration se fait en aval de la rétine. Le signal perçu par le cerveau n'est jamais absolu, et seule la différence d'intensité perçue entre les photorécepteur est retenue, et non pas le niveau d'intensité total. Ceci permet à l'œil de s'adapter à la luminosité ambiante. En effet, en condition de forte luminosité, une même différence d'intensité entre deux récepteurs paraîtra plus faible, ce qui diminue la qualité de l'image.

Caractéristiques optiques de l'œil

Les yeux peuvent être plus ou moins performants et ont tous des caractéristiques propres. Les différents yeux du monde animal ont des caractéristiques optiques très différentes, souvent liées au mode de vie de l'animal.

Sensibilité

La sensibilité de l'œil est la quantité minimale de lumière qu'il est capable de percevoir. La sensibilité dépend essentiellement de la taille de l'œil, mais aussi de sa géométrie et notamment de la présence d'autres structures ombrageantes diminuant la quantité de lumière incidente. De plus, la sensibilité de l'œil est souvent modulable par l'animal, par exemple par la présence d'un diaphragme chez les Mammifères modifiant la quantité de lumière admise.

Résolution

La résolution est la plus petite différence d'angle perceptible entre deux rayons incidents. Elle correspond donc à la précision de l'image que l'œil est capable de former, et à la quantité de détail que l'œil sera capable de percevoir. Elle dépend du type de système optique permettant de former l'image et de sa performance. Elle est notamment limitée par le phénomène de diffraction de la lumière dans le cas des images formées par réfraction. Elle dépend aussi du nombre de photorécepteurs: la résolution est égale à l'angle qui sépare le centre de deux récepteurs adjacents. Cependant, on observe que c'est rarement la densité de photorécepteurs qui est limitante, mais plus souvent le système optique utilisé. Ceci montre une adaptation très fine du nombre de photorécepteur au système optique, permettant de limiter au maximum la perte de résolution. Enfin, la résolution n'est souvent pas la même sur l'ensemble de la rétine, et les parties périphériques bénéficient souvent d'une résolution plus faible que le centre de la rétine.

Contraintes physiques

Diversité des yeux dans le monde animal

La crevette-mante est réputée avoir l'œil le plus complexe du règne animal.

Détection de la lumière

Chez tous les animaux, les yeux détectent la lumière grâce aux opsines. Cependant, les cellules nerveuses spécialisées dans la sensibilité à la lumière, les cellules photoréceptrices, sont très diverses. On distingue deux grandes catégories de photorécepteurs: les récepteurs rhabdomériques et les récepteurs ciliés.

Les récepteurs rhabdomériques

Les récepteurs rhabdomériques, ou rhabdomes, sont des cellules photoréceptrices caractérisées par la présence de microvillosités sur la membrane réceptrice porteuse de molécules d'opsines, permettant l'augmentation de la surface de perception de la lumière. Ces récepteurs sont présents dans l'ensemble du vivant, mais sont trouvés préférentiellement chez les Protostomes. Certains de ces récepteurs ont changé de fonction au cours de l'évolution, et ne participent plus au fonctionnement de l'œil, mais peuvent jouer un rôle dans la synchronisation des rythmes circadiens, par exemple.

Lors de l'excitation de l'opsine dans les récepteurs rhabdomériques, la protéine G activée déclenche à son tour l'activation du phosphatidylinositol membranaire, et libère un second messager, l'inositol triphosphate. L'activation de ce second messager a pour conséquence l'ouverture des canaux sodiques et donc la dépolarisation de la membrane plasmique.

Les récepteurs ciliés

Formation d'une image

Il existe deux grandes catégories d'yeux dans le monde animal, apparue toutes les deux de nombreuses fois indépendamment au cours de l'évolution. Dans ces deux types, l'image peut-être formée soit par ombrage, soit par réfraction, soit par réflexion.

Les yeux simples ou camérulaires

Les yeux simples ne possèdent qu'une chambre de photorécepteurs, et s'opposent en cela aux yeux composés. L'image peut se former par ombrage comme chez le Nautile, par réfraction comme chez les Vertébrés ou par réflexion comme chez la coquille Saint-Jacques[1].

Œil en trou d'épingle

Le Nautile est le seul exemple d'animal possédant un œil simple fonctionnant par ombrage. Cet œil, fonctionnant alors comme un sténopé, est alors qualifié d'œil en trou d'épingle (pinhole eye en anglais). Il est constitué d'une rétine concave de cellules photoréceptrices entourée par une couche de cellules pigmentées empêchant l'entrée de la lumière sauf au niveau d'un trou de faible diamètre (trou d'épingle) faisant face à la rétine. Ainsi, les rayons provenant d'une même direction n'excitent qu'un faible nombre de photorécepteurs, lesquels sont regroupés sur la rétine. Ce système permet donc d'identifier la direction des rayons lumineux et donc de former une image. Cependant, la seule manière d'augmenter la résolution de l'image dans ce système est de diminuer la taille du trou d'épingle permettant l'entrée de la lumière, et donc de diminuer la quantité de lumière admise, c'est-à-dire la sensibilité de l'œil. La taille de l'ouverture peut varier de 0,4 à 2,8mm[2] , ce qui permet au Nautile de privilégier la sensibilité ou la résolution en fonction des conditions environnementales.

Œil à lentille sphérique

Chez les Vertébrés et certains Mollusques, l'image est formée par réfraction grâce à la disposition de matériau transparent à indice de réfraction élevé devant la rétine. Cette structure permet de dévier les rayons lumineux et de concentrer tous les rayons provenant d'une même direction sur une zone limitée de la rétine et donc de former une image. C'est la lentille qui joue le rôle de structure réfractrice chez les poissons et les Mollusques. La lentille est généralement sphérique en milieu aquatique. Les lentilles des poissons et des Céphalopodes sont caractérisées par un gradient croissant d'indice de réfraction de l'extérieur vers l'intérieur (lentille Mathésienne), ce qui permet une focalisation correcte des rayons lumineux. Cependant, certains Gastéropodes et Annélides possèdent des lentilles homogènes, et leur vision reste relativement floue. La lentille Mathésienne est apparue indépendamment chez les Vertébrés et les Céphalopodes. Chez les Vertébrés terrestres, la lentille a perdu une partie de son pouvoir réfractoire, et la cornée est responsable des 2/3 de la réfraction de la lumière. Certaines larves d'insectes possèdent aussi des yeux simples à réfraction cornéale, comme la larve du coléoptère Cicindela.

Article détaillé : œil humain.
Œil-miroir

Les yeux de la coquille Saint-Jacques forment une image par réflexion. Un couche réflectrice concave est placée derrière la rétine et joue le rôle de miroir. Les rayons provenant d'une même direction sont ainsi réfléchis différemment selon leur incidence par rapport au miroir et sont concentrés sur un faible nombre de photorécepteurs, permettant la formation d'une image. On trouve aussi des structures photosensibles contenant un miroir chez certains Rotifères, Plathelminthes et Copépodes, mais la taille de ces structure n'est pas suffisante pour permettre la formation d'une image.

Les yeux composés

Article détaillé : œil composé.

Les yeux composés des arthropodes (notamment chez les insectes et les crustacés) sont constitués d'un ensemble de récepteurs (jusqu'à 30 000 chez certains coléoptères) sensibles à la lumière qui sont appelés des ommatidies. On appelle plus vulgairement l'œil composé : œil à facettes. Pour les copépodes il y a, dans la plupart des cas, un œil impair, médian, qui correspond à l'œil de la larve Nauplius. Il est alors couramment appelé œil nauplien.

Perception des couleurs

Certains mammifères comme le chat ou certains rapaces nocturnes sont nyctalopes. La bande spectrale visible varie selon les espèces. Ainsi certains mammifères (rats), oiseaux (oiseaux-mouches, hirondelles, pigeons...), arthropodes (langoustes, abeilles...), reptiles (gecko, tortue...) et poissons (truite...) semblent voir les rayons ultraviolets.

Certains serpents "voient" dans l'infrarouge mais grâce à leurs fossettes. La vision des couleurs diffère aussi selon les espèces ou les individus.

Perception de la polarisation de la lumière

Nombre et position des yeux sur l'animal

Chez les prédateurs comme les chats ou les rapaces, les yeux sont placés l'un à côté de l'autre ce qui permet, en vision binoculaire, de mieux percevoir les distances des proies situées en face d'eux ; à l'inverse, les yeux d'autres animaux comme les lapins ou les souris sont généralement placés de part et d'autre de la tête ce qui permet de couvrir un plus grand champ visuel et de mieux détecter la présence d'un danger dans l'environnement.

Origine et évolution de l'œil

Article détaillé : Évolution de l'œil.
Modèle théorique sur l'évolution de l'œil de vertébrés.

La diversité des organismes et des types de vision est, comme le soulignait déjà Charles Darwin dans L'Origine des espèces, un défi intellectuel pour les partisans de l'évolution. Pour cette raison, l'évolution de l'œil a longtemps été un sujet de controverse entre les partisans de l'évolution et les créationnistes, ces derniers considérant l'œil comme trop parfait pour avoir évolué selon les mécanismes proposés par la théorie de l'évolution[réf. nécessaire].

Il existe de nombreux points communs dans le fonctionnement des yeux des diverses espèces, par exemple dans la manière dont les stimuli visuels sont transmis des récepteurs au système nerveux central. Ces similitudes sont très nombreuses chez les amniotes. L'œil ancestral de ces animaux dériverait d'espèces de l'ordre des Captorhinida disparus il y a 300 millions d'années[3].

On[Qui ?] a longtemps pensé que les différentes formes d'yeux s'étaient développées d'une façon indépendante à partir d'espèces d'origines diverses (on parle de développement paraphylétique). Cependant la découverte de l'existence du gène Pax6, conservé dans tout le règne animal et contrôlant le développement des yeux, a récemment remis en cause cette idée, suggérant une monophylie de l'œil. On considère aujourd'hui qu'un œil primitif composé de quelques cellules s'est développé de manière unique dans le règne animal, et se serait ensuite diversifié au cours du Cambrien pour former au moins 40 fois indépendamment des structures capables de former des images[4].

Œil et santé

La mesure (par infrarouge) des variations de température de l'œil permettrait de mesurer le stress ressenti par certains animaux à sang chaud[5].

Notes et références

  1. (en) Land M.F., « The Evolution of Eyes », dans Annu. Rev. Neurosci., vol. 15, 1992, p. 1-29 
  2. (en) A.C. Hurley, G.D. Lange et P.H. Hartline, « The adjustable 'pinhole camera' eye of Nautilus », dans Journal of Experimental Zoology, vol. 205, no 1, 1978, p. 37-43 
  3. Carroll, R.L. (1988). Vertebrate paleontology and evolution. New York: Freeman.
  4. L.V. Salvini-Plawen & E. Mayr, « Evolution of photoreceptors and eyes », dans Evol. Biol, vol. 10, 1977, p. 207-263 
  5. article de dec 2008 : Communiqué d'une radio néozélandaise Infrared technology used in animal pain assessment ; An AgResearch scientist has developed a non-invasive pain-free way of assessing whether cattle are suffering from stress or pain

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

  • M.F. Land & D.E. Nilsson, Animal Eyes, Oxford University Press, 2002 
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