La science des rennes de Noël

A quelques heures de Noël, un homme tout de rouge vêtu s’affaire aux derniers préparatifs de sa grande aventure annuelle. Son moyen de transport favori est prêt à décoller : un magnifique traîneau tracté par des créatures féériques et pourtant bien réelles, les rennes. Si la capacité de voler de ces magnifiques Cervidae est bien comprise (de la poussière magique, et un breuvage top secret préparé par le Père Noël himself !), les scientifiques s'interrogent toujours sur une curieuse particularité de l’animal favori du pater : ce proéminent nez rouge dont est affublé le célèbre Rudolph ! Paraîtrait même qu’il brille dans la nuit…

Rudolph, le leader du tractage de traineau (Source)

La piste d’un avantage en termes de visibilité ?

Bien voir est une caractéristique importante chez beaucoup d’espèces de mammifères, qui utilisent la vision pour nombre d’utilités : trouver de la nourriture, repérer des prédateurs, se reconnaître entre individus, etc. Les rennes, de leur petit nom scientifique Rangifer tarandus, font face à quelques complications en matière de visibilité avec une luminosité particulièrement basse dans l’hiver de l’hémisphère nord. Pourtant, ils n’en sont pas moins bien lotis. En effet, une étude ⁽¹⁾ a montré que ceux-ci sont capables de voir les ultraviolets ! Les chercheurs ont montré que les deux types de photorécepteurs que l’on trouve dans la rétine de ces animaux - les cônes et les bâtonnets - sont sensibles aux rayons UV. Un avantage certain en Arctique où la lumière est particulièrement riche en rayons ultraviolets. Une autre étude ⁽²⁾ confirme en effet que dans la faible lumière de l’hiver où végétation et neige se confondent dans le spectre de la lumière visible, les plantes et lichens dont se nourrissent les rennes opposent un fort contraste à la neige en vision UV, puisque celle-ci renvoie une grande proportion des rayons UV.

Les particularités des rennes en matière de vision ne s’arrêtent pas là ! Les yeux de Rudolph et ses compatriotes sont tapissés de tapetum lucidum, un tissu qui joue un rôle de réflecteur de lumière et qui permet d’améliorer la vision lorsque la lumière est faible. C’est ce tissu qui explique que l’on voit parfois des yeux briller dans la nuit, lorsque les créatures qui en sont dotées sont éclairées par les phares de voitures par exemple. Eh bien chez le renne, ce tissu lui permet de changer la couleur de ses yeux d’une saison à l’autre ! Ainsi, si vous croisez un renne avec des yeux d’un bleu profond, c’est probablement l’hiver en Arctique, tandis qu’en été, ces Cervidae arborent des yeux couleur or ! Un trait qui, d’après les chercheurs ⁽³⁾, permet aux animaux de mieux capter la lumière durant les sombres mois d’hiver.

Les yeux d'un renne en été et en hiver (Source)

Au delà de la faible luminosité, un autre paramètre est susceptible de réduire la visibilité de nos tracteurs de traineaux : le brouillard. Malheureusement, les deux adaptations citées ci-dessus ne leur permettent pas de voir par delà un épais tapis de brume. Or, comme il est rappelé dans un autre article ⁽⁴⁾, les cristaux de glace et gouttes d’eau qui forment le brouillard arrêteraient d’avantage la lumière bleue, tandis que les couleurs rouges seraient plus facilement visibles à travers la brume. Dans ces conditions, un élément émettant de la lumière rouge, à tout hasard le nez d’un renne, permettrait à toute une tribu de Cervidae volants de mieux s’orienter !

Est-il donc possible que le nez de Rudolphe soit une adaptation aux conditions arctiques ? Peu probable. En effet, un tel attribut serait aussi efficace pour attirer les prédateurs qu’un panneau de signalisation lumineux “mangez-moi” ! Si les bénéfices en termes de survie dépassaient les inconvénients, on trouverait sans doute plus de rennes au nez luminescent dans la nature. Mais pour l’instant, seul un individu arborant ce caractère est connu. Pourtant, c’est peut-être justement parce qu’on cherche “dans la nature” qu’on ne trouve pas. Car il pourrait tout de même s’agir de sélection, non pas naturelle, mais bien artificielle ! De la même manière que les agriculteurs sélectionnent les plus grosses citrouilles pour augmenter leur rendement, ou des arbres résistants aux conditions climatiques de leur région, il n’est pas du tout invraisemblable que le Père Noël ait petit à petit augmenté l’efficacité de son cheptel en privilégiant les rennes les plus aptes aux longs voyages nocturnes. Un renne avec un feu de brouillard en guise de nez, quoi de plus adapté pour voler !

Mais ça fonctionne comment, le nez de Rudolph ?

Concrètement, des apparences déconcertantes peuvent tout à fait apparaître brutalement chez des animaux, en conséquence de mutations aléatoires : changement de couleur, apparition de membres supplémentaires, pilosité surdéveloppée… Cependant, la probabilité qu’une mutation provoque à la fois un nez rouge et luminescent est très faible. Soit le Père Noël a eu de la chance, soit il a quelques notions de génétique !

Soyons honnête, les organismes luminescents ne courent pas les rues. Pourtant, ils existent bel et bien ! Vers luisants, créatures abyssales, champignons ou encore bactéries, on retrouve de la bioluminescence dans près de 700 genres ⁽⁵⁾. La plupart des espèces capables de bioluminescence sont marines, mais on en trouve aussi sur la terre ferme. Quid des couleurs émises ? Eh bien, c’est variable, avec des longueurs d’onde émises comprises entre 400 et 720 nm, soit des couleurs allant du violet jusqu’au rouge. Côté mécanisme, c’est une fois de plus variable, mais il s’agit souvent d’une histoire de molécules appelées luciférines qui, sous l’action de l’oxygène et de l'enzyme luciferase ⁽⁵⁾, mènent à la formation de photons, autrement dit de lumière. Un nez bioluminescent n’est donc pas impossible ! De nombreux organismes génétiquement modifiés existent d’ailleurs pour produire de la fluorescence, un phénomène un peu différent de la luminescence, qui consiste à émettre une couleur vive mais uniquement lorsqu’ils sont éclairés par une certaine lumière. Souvent, il s’agit d’introduire les gènes d’autres espèces naturellement disposées à briller. Il serait intéressant que les généticiens aient accès au patrimoine génétique de notre cher Rudolph, histoire de vérifier si le vieux barbu n’aurait pas glissé quelque amélioration à son meneur de traineau !

On trouve de la bio-luminescence naturellement chez des espèces très variées, comme ici le champignon Panellus stipticus ou l'insecte Lampyris noctiluca, communément surnomé ver luisant (Crédits: Ylem et  NEUROtiker)

 

 

Les chercheurs utilisent beaucoup d'organismes génétiquement modifiés pour produire de la fluorescence, ce qui permet par exemple d'observer des cellules précises. Ici, ce sont des nématodes Caenorhabditis elegans (Crédits : Sophie Labaude)

Allez, une dernière hypothèse avant de retrouver la féerie et le mystère de noël. Vous avez déjà entendu parler d’Heterorhabditis bacteriophora ? Il s’agit d’un nématode, un ver microscopique, qui parasite des insectes. Figurez-vous qu’il est doté d’une myriade de bactéries qui ont une double conséquence sur le pauvre insecte parasité : celui-ci change de couleur et devient d’un rouge soutenu, et il se met… à briller dans le noir ! Mieux encore, cette luminescence n’est pas restreinte aux insectes puisque de nombreuses descriptions font état de blessures chez l’humain qui brillent dans le noir ! Des blessures qui, étudiées de près, ont révélées la présence des bactéries en question ⁽⁶⁾. Et si le pauvre Rudolph était tout simplement… parasité !

Quand elles sont parasitées par des nématodes Heterhabditis bacteriophora, les larves deviennes rouges et luminescentes (Crédits: Sophie Labaude)

Références

⁽¹⁾ Hogg C., Neveu M., Stokkan K.-A., Folkow L., Cottrill P., Douglas R., Hunt D. M., Jeffery G. 2011. Arctic reindeer extend their visual range into the ultraviolet. Journal of Experimental Biology, 214: 2014-2019.

⁽²⁾ Tyler, N. J. C., Jeffery G., Hogg C. R., Stokkan K.-A., Giguère N. 2014. Ultraviolet Vision May Enhance the Ability of Reindeer to Discriminate Plants in Snow. Arctic, 67: 159-166.

⁽³⁾ Stokkan K.-A., Folkow L., Dukes J., Neveu M., Hogg C., Siefken S., Dakin S. C., Jeffery G. 2013. Shifting mirrors: adaptive changes in retinal reflections to winter darkness in Arctic reindeer. Proc Biol Sci., 280: 20132451.

⁽⁴⁾ Dominy N. J. 2015. Reindeer vision explains the benefits of a glowing nose. Frontiers for young minds, 3: 18.

⁽⁵⁾ Kahlke T., Umbers K. D. L. 2016. Bioluminescence. Curr. Biol,. 26: R313–R314.

⁽⁶⁾ Colepicolo P., Cho K.W., Poinar G.O., Hastings J.W. 1989. Growth and luminescence of the bacterium Xenorhabdus luminescens from a human wound. Appl. Environ. Microbiol., 55: 2601–2606.

Sophie Labaude 

Pris pour des pigeons? Telle est la question!

Si je vous dis que je vais vous raconter une histoire de pigeons, avec Darwin comme héros, la sélection comme énigme et la couleur comme indice...
Vous ne comprenez rien à ce que je veux dire? Alors lisez ce qui suit.

Un jour Darwin nous a parlé de pigeons…

Quand le célébrissime Charles Darwin nous a parlé de pigeons dans son oeuvre “On the origin of species”, c’était pour nous expliquer les nuances qu’il faut comprendre entre les notions de race et d’espèce. Il s’est intéressé au pigeon car cet animal a subi une sélection artificielle de longue date et son histoire est donc assez bien connue au travers de nombreux traités et écrits dans toutes les langues. Les pigeons étant des animaux domestiqués à la perfection, il mit en place son propre élevage avec le plus grands nombres de types de pigeon qu’il a pu rassembler à travers le monde (il n’a jamais confié le nombre exact dans son fameux ouvrage!). En guise de support empirique à ses hypothèses, il effectua une multitude des croisements. La question centrale qu’il se posait? Est-ce que toutes les variétés de pigeons qu’il avait pu réunir constituaient-elles des races différentes d’une même espèce ou alors étaient-elles issus de plusieurs espèces?

Ses observations ont fait état d’un nombre assez important de caractères profondément différents entre les variétés de pigeon: taille et forme du bec, largeur de la caroncule (petite excroissance charnue qui recouvre la base du bec), longueur du tarse, largeur de certains os, taille des plumes, présence de plumes aux pattes (oui oui, y’a des pigeons qui ont des plumes vraiment partout), etc.

La caroncule sur le bec du pigeon

Quand notre grand Charles a fait la liste de tous ces caractères, il a cru bon penser que des espèces différentes étaient à l’origine des spécimens qu’il avait devant les yeux. Qui n’aurait pas fait la même chose!

Quelques exemples en photos:

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Mais il n’en était pas à ses premières réflexions sur le sujet et la question le titillait. Il choisit un caractère d’étude particulier, la couleur, et il décida d’entreprendre des croisements afin d’affiner la réponse à sa question.

Et finalement... Vous voulez savoir à quelle conclusion il en est arrivé? Un peu de patience, vous le saurez bientôt… Enfin si vous lisez cet article jusqu’au bout!

Une sélection? Oui mais par les Hommes!

Les pigeons sauvages ont été depuis des millénaires domestiqués pour tout un tas de raison, économiques, sociales, culturelles, et culinaires!!!!

Une des fonctions du pigeon est celle du messager. On a tous entendu parler des fameux pigeons voyageurs. Et bien, certaines variétés de pigeons ont été spécifiquement élevés dans cette optique et ont été beaucoup utilisés et efficaces en temps de guerre.

Vaillant, pigeon de combat, c’est un dessin animé, mais faut pas négliger le rôle des piafs pendant la guerre quand même ! (http://www.toutlecine.com/images/film/0010/00106272-vaillant-pigeon-de-combat.html)

Pline indiquait que les romains payaient les pigeons un prix considérable selon leur généalogie et leur provenance pour s’en servir ensuite comme monnaie d’échange.

Le pigeon faisait aussi office de cadeau entre les pays, comme l’Iran ou le Touran qui faisaient parvenir des oiseaux très rares à l’Inde il y a quelques siècles.

Du temps de la 4^ème dynastie égyptienne, il y a plus de 3000 ans avant notre ère, le pigeon était déjà inscrit au menu. Et malgré sa disparition de nos tables pendant quelques années à cause de l’image de saleté et vecteur de maladie qu’on lui collait (je vous rassure il n’y a aucun risque à manger du pigeon d’élevage), la culture culinaire du pigeon ne s’est pas perdue depuis les temps anciens puisque de nos jours encore, il constitue un met couramment dégusté.

Ca a l'air bon! (http://www.atelierdeschefs.net/blog/?tag/masterchef)

De nos jours, en France, le pigeon est élevé d’une part pour des raisons culinaires, mais aussi pour de la compétition. En effet, des concours de pigeons voyageurs sont fréquemment organisés. Ces pigeons, bagués, subissent des entrainements de longues haleines comme vous pouvez vous en douter. Ce sont des sportifs avant tout !

Ainsi quelque soit la raison qui a poussé les hommes à mettre en place des élevages, ils ont, dans un objectif de rendement, d’amélioration de la qualité, ou encore de choix de caractères particuliers, exercé une sélection forte sur les populations de pigeons depuis des millénaires et dans nombreux pays du monde. Et selon le but de la sélection, des caractères différents pouvaient être sélectionnés artificiellement sur plusieurs générations, jusqu’à obtenir des individus proches de la perfection (la perfection est toute relative!).

Les couleurs ne se discutent pas…

Comme Darwin s’est intéressé au critère de la couleur, je vous propose de passer en revue les pigeons qu’on peut croiser de nos jours à Paris et d’en noter les couleurs…

http://www.zoomorphia.com/page3.htm

http://dakotad.com/2011/03/03/notre-dame-de-paris/

http://www.savoirs.essonne.fr/sections/actualites/shootez-les-pigeons/

Comme vous pouvez le voir sur ces photos, il y a des pigeons de couleurs très différentes… et encore ces photos ne sont pas réellement représentatives de la diversité de ce qu’on peut voir au détour d’une rue. Sur la place de la Contre Escarpe par exemple, devant Notre-Dame, ou encore, sur les toits de l’université de Jussieu !

Au milieu de toute cette diversité de motifs, on arrive à établir un classement approximatif mais qui sert néanmoins de base aux scientifiques qui étudient les pigeons.

Tout d’abord, il y a les pigeons tout blancs! Ceux là ne sont pas si fréquents que ça à Paris mais il est possible d’en observer si on fait bien attention. Les pigeons blancs sont assimilés aux colombes, symbole universel de paix. Il parait qu’il y a une région en Amérique du Sud, au Pérou il me semble, où la plupart des pigeons sont blancs. Et Nicobola m’a confié qu’ils sont aussi assez fréquents à Göteborg, en Suède. L’exact inverse de Paris et de Londres !

Après les pigeons blancs, il y a les pigeons gris clairs, qui ont deux barres noires/bleues à l’extrémité des ailes. Vous n’avez pas l’impression que ces pigeons là sont les plus fréquemment observes (ne serait-ce que sur les photos ci-dessus)? Encore un peu de patience et vous comprendrez pourquoi…

Ensuite, on trouve des pigeons gris tachetés avec du noir. Mais on voit aussi des pigeons noirs tachetés avec du gris. Quelle différence me direz-vous? Et bien la proportion de chaque couleur voyons! Les seconds donnent l’impression d’être plus foncés de ce fait. Dans les deux cas, les tâches forment un peu comme un damier sur la robe du pigeon.

Enfin, on a les pigeons …. Noirs ! Tout noir, de la tête à la pointe de la queue ! Ceux là sont facilement reconnaissables.

Un beau dégradé du blanc au noir...

Malgré les catégories que je viens de vous citer, il ne faut pas avoir l’esprit trop fermé, car la Nature est très originale et alors on trouve tous les intermédiaires possibles. Parfois même, un pigeon tout noir aura une ou deux plumes blanches sur chaque aile ou encore un pigeon tout blanc pourra avoir la tête toute noire !

Et un autre détail qu’il ne faut pas oublier…. Les nuances que je vous ai cité existent aussi dans les tons roux ! D’un roux plutôt blanc à un roux tout foncé en passant par les échiquiers blanc-roux et roux-blanc (regardez donc là dessous comme ils sont beaux).

Pour ceux qui se poseraient la question... Les couleurs chez les pigeons sont dues à des pigments particuliers qu'on appelle la mélanine. Cette molécule est la même que celle qui pigmente notre peau et notre poil. Il en existe deux types: l'eumélanine, qui est à l'origine de la couleur noire/brune, et la phéomélanine, qui est contenue dans la cellule et de la quantité de pigment total contenue, d'où la gamme de nuance de couleur de pigeon qu'on retrouve dans la Nature.

Alors … une ou plusieurs espèces ?

Trêves de suspens, il faut que je vous dise tout maintenant !

Darwin, suite à de longues réflexions et expérimentations en est arrivé à la conclusion que toutes les variétés de pigeons étaient différente races, mais de la même espèce. Ses arguments ? Et bien les voilà :

- Il aurait été difficile pour les hommes de domestiquer 7 ou 8 espèces différentes et de les faire se reproduire librement

- La domestication remonte à des temps anciens et dans des régions très variées et la sélection de caractères a eu le temps d’opérer de diverses façons sur l’espèce

- Ces espèces supposées ne sont connues nulle part à l’état sauvage et les espèces domestiques ne semblent jamais être revenues à l’état sauvage

- Les variétés présentent des « caractères très anormaux » par rapport aux autres espèces de colombidés mais en revanche elles présentent beaucoup de points communs avec les pigeons bisets

- Les couleurs bleues et les marques noires réapparaissent dans toutes les variétés qu’on les conserve pures ou qu’on les croise

- Les hybrides sont féconds

Un dessin des races issues du pigeon biset (http://www.ibri.org/Books/Pun_Evolution/Chapter3/fig3-06.jpg)

Ainsi, l’ensemble des variétés de pigeons seraient, selon Darwin, issus du pigeon biset, Columba livia à robe grise avec 2 barres bleues/noires à l’extrémité basse des ailes. Je vous en ai parlé tout à l’heure en vous décrivant les différentes couleurs de pigeon qu’on voyait à Paris. Effectivement un grand nombre des oiseaux qu’on voit tous les jours ressemblent comme deux gouttes d’eau au pigeon biset sauvage, alors qu’ils sont en fait des pigeons domestiqués. Le pigeon biset sauvage nicherait au bord des précipices (est-ce que ça n’aurait pas un lien avec leur aisance à voltiger entre les grands immeubles qu’on trouve en ville? A cogiter !) et serait doué d’un vol puissant. Il se pourrait que certains oiseaux sauvages persistent encore sur les côtes de la Méditerranée.

Voilà un pigeon qui aurait les caractéristiques du pigeon biset sauvage!

Différentes couleurs... Et alors?

Maintenant qu’on sait que tous ces piafs sont de la même espèce et pourquoi il y en a de différentes couleurs, je suis sûre que vous voulez savoir ce que ça change pour un pigeon d’être noir, gris, blanc, ou roux. Les chercheurs émettent beaucoup d’hypothèses à l’heure actuelle et sont en train de les vérifier une à une. Je vais vous présenter certaines de ces hypothèses :

-Selon la couleur, un pigeon ne serait pas attaqué de la même façon par les parasites. En effet, les observations montre que plus un pigeon est foncé et plus il porterait de parasite dans ces plumes. Mais ça n’affecterait pas son état de santé pour autant. On pourrait penser que c’est parce qu’il est plus résistant que les pigeons clairs, non ?! Vous vous demandez pourquoi les pigeons noirs sont plus parasités? Peut-être parce qu’ils fréquentent des lieux où les parasites sont plus denses, il s’agirait donc d’une différence de comportement entre les oiseaux clairs et sombres... La question reste à éclaircir!

-Les pigeons de couleur sombre seraient plus gros! Les chercheurs pensent que soit ils arriveraient à mieux se nourrir que les pigeons clairs (ils passent plus de temps à chercher à manger, ou alors c’est qu’ils ont une force de persuasion plus forte face aux petits moineaux dans la lutte pour les miettes de pain!), soit ils alloueraient la plus grande partie de l’énergie acquise par l’alimentation dans la croissance.

-Les pigeons les plus foncés semblent stocker plus de métaux lourds dans leurs plumes. Les chercheurs pensent qu’il y aurait un rapport avec les pigments présents dans leurs plumes (la mélanine est une molécule qui a beaucoup d’affinité pour certains métaux lourds) et peut-être aussi avec leur meilleur capacité à se nourrir (c’est logique que s’ils mangent plus, ils ingèrent plus de cochonnerie aussi!)

-Des études menées aux Etats-Unis ont montré que les pigeons qui avaient des plumes blanches étaient beaucoup plus soumis à leur prédateur naturel en milieu urbain que ceux qui étaient entièrement colorés. Une des hypothèses est qu’un plumage sombre permet de mieux se camoufler au milieu de la grisaille de la ville que les plumes blanches.

-Théoriquement, le taux de reproduction des mâles foncés devrait être plus important que celui des mâles blancs car le processus de production de la mélanine implique la production d’une hormone mâle, la testostérone. Cette hormone est connue pour son rôle dans la reproduction.

J’espère que maintenant, quand vous prendrez quelqu’un pour un pigeon, vous y réfléchirez à deux fois et surtout vous n’oublierez pas de penser à sa couleur ;)

Pour finir :

- Un petit court-métrage de Sylvain Chomet :

http://vimeo.com/9603825

- Deux extraits d’une vidéo sur les pigeons à Paris proposé par Natural Movement et Anne Caroline Prévot Julliard (chercheur du Muséum National d’Histoire Naturelle) :

http://www.dailymotion.com/video/xb7r65_les-pigeons-dansent-la-ville-extrai_creation

http://www.dailymotion.com/video/xb7ryv_les-pigeons-dansent-la-ville-extrai_creation?ralg=thefilter#from=playrelon

- L’Origine des Espèces disponible en ligne en version anglaise :

http://www.literature.org/authors/darwin-charles/the-origin-of-species/index.html

- Un site sur les pigeons dont Darwin a parlé (en anglais of course !) :

http://darwinspigeons.com/#

- Un site internet sur Charles Darwin et l’Evolution :

http://www.christs.cam.ac.uk/darwin200/pages/index.php?page_id=b

- Un article cousin de celui là, mais qui parle surtout des différentes morphologies de pigeon :

http://ssaft.com/Blog/dotclear/index.php?post/2011/06/07/The-Domestication-Show%3A-Pigeons

Biblio

-Darwin (1859) On the Origin of Species

-Johnson et Janiga (1995), The feral Pigeon, Oxford University Press

-Ducrest, Keller, Roulin (2008) Pleiotropy in the melanocortin system, coloration and behavioural syndromes, Trends in Ecology and Evolution, 23/9: 502-510.

-Karimi (2010) rapport de stage au laboratoire Ecologie et Evolution

-Jacquin, Lenouvel, Haussy, Ducatez, Gasparini (2011) Melanin-based coloration is related to parasite intensity and cellular immune response in an urban free living bird: the feral pigeon Columba livia, Journal of Avian Biology, 42/1:11-15.

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