Chez les oiseaux l’orientation grâce au champ magnétique terrestre est une aptitude innée. En effet une expérience menée sur une vingtaine d’oiseaux (capturés au cours de leur migration ou dès l’éclosion) consistant à les placer dans des enceintes appelées « cages de Emlen » où l’on peut faire varier l’orientation et l’intensité d’un champ magnétique terrestre, montre que les oiseaux prennent une direction déterminée par le champ magnétique ambiant (pour des intensités semblables à celles du champ magnétique terrestre). Le champ magnétique stimule en effet certains récepteurs sensoriels.
Il s’agit tout d’abord de cristaux de magnétite situés dans un tissu épais de 1 à 2 millimètres à la base du bec et surtout sur la partie charnue, à la limite de la partie cornée et de la partie emplumée, désignée sous le nom de «cire».Au microscope, on trouverait plus de dix millions de ces petits cristaux tous quatre fois plus longs que larges.
Cristaux de magnétite, on constate qu’ils sont en effet beaucoup plus longs que larges.
Ils ont été découverts pour la première fois en 1963 dans des bactéries. Ce sont des particules d’oxyde de fer (soit le même composé que les aiguilles d’une boussole), de formule Fe3O4,qui s’orientent selon la direction du champ, et permettent aux oiseaux de différencier le «haut» du «bas» dans le sol.
Ces particules se comportent comme les aiguilles d’une boussole en s’orientant le long des lignes de champ. Le champ magnétique étant très faible, il ne peut agir sur l’oiseau qu’à l’échelle microscopique. En effet, les cristaux se déplaceraient collectivement ce qui entrainerait des contraintes sur certaines cellules qui lanceraient alors des signaux chimiques au cerveau. Une expérience consistant à appliquer un champ magnétique intense sur les becs de pigeons montre effectivement qu’il est possible de démagnétiser ces cristaux de magnétite (comme une carte magnétique perdrait ses propriétés au voisinage d’un autre aimant). Enfin, la magnétite aurait un rôle dans la détection de la puissance du champ magnétique terrestre mais non dans la direction du champ. C’est pour cela qu’il existe d’autres facteurs qui permettent aux oiseaux de s’orienter.
Ainsi, on trouve également une protéine, appelée cryptochrome, une molécule photoréceptrice localisée dans les cellules ganglionnaires de la rétine, dont elle est d’ailleurs un pigment. Chez les passereaux migrateurs la magnéto réception dépend de la lumière, ainsi elle est associée à la photo réception. L’existence d’une interaction entre la longueur d’onde de la lumière et la magnéto réception a été retrouvée chez les rouges-gorges, migrateurs nocturnes, montrant que la direction choisie est la même sous la lumière verte, bleue ou blanche ( ce qui correspond à de courtes longueurs d‘ondes). En revanche, les oiseaux sont désorientés dans le noir mais aussi en présence de lumières rouge ou jaune (longues longueurs d‘ondes). Cela prouve donc que les courtes longueurs d’ondes agissent sur le cryptochrome.
Dans la rétine (a) les photorécepteurs (les cônes et les bâtonnets (b)) convertissent les signaux lumineux perçus (photons) en signaux électriques qui passent ensuite dans les cellules ganglionnaires dont les axones forment les fibres nerveuses du nerf optique et qui conduisent alors le message électrique jusqu’au cerveau.Les cônes permettent la vision de jour, tandis que les bâtonnets permettent la vision scotopique, c’est-à-dire avec une luminosité faible, donc plutôt de nuit. Ces deux types de cellules contiennent de la rhodopsine : un pigment protéique photosensible responsable de la sensibilité de l’œil à la lumière. La rhodopsine est contenue par des disques membranaires d’une épaisseur d’environ 20 nm, écartés d’environ 20 nm également, et situés dans les cellules photoréceptrices (c). Le cryptochrome sensible au champ magnétique serait localisé entre les disques membranaires (d). En (f)est seulement représenté le cryptochrome rattaché à un disque.
Lorsque les molécules d’un photo pigment rétinien sont excitées par un photon (particule composant la lumière) on constate l’apparition de paires de radicaux ionisés. Les molécules de cryptochrome perdent un électron sous l’effet de certaines lumières (bleues ou vertes) et deviennent donc des molécules très réactives s’alignant le long des lignes de forces du champ magnétique permettant ainsi l’orientation de l’oiseau.Ces molécules ont une durée de vie assez longue pour permettre la réception.
Le gène du cryptochrome est présent dans tout le règne vivant mais s’exprime différemment selon les groupes et les espèces. Par exemple, nous nous sommes rendu compte que le cryptochrome impliqué est exprimé la nuit, en période de migration, dans les cellules ganglionnaires de la rétine, alors qu’une autre espèce d’oiseau, non migrateur (le diamant mandarin) n’exprime jamais ce cryptochrome, montrant ainsi son rôle dans la magnéto réception.
Lorsqu’on examine le cerveau d’un oiseau s’orientant de nuit, on constate que seul le secteur cérébral responsable de la vision, le Cluster N, est très actif. Cette région de leur cerveau, serait impliquée dans l’orientation par rapport au champ. Il semblerait que les oiseaux visualisent le champ magnétique terrestre et «voient» alors le magnétisme de la Terre pour s’orienter. D’autre part, quand la lumière frappe la rétine, donc le cryptochrome, la chimie de ces molécules change et le magnétisme peut les influencer. Ces molécules de cryptochrome agiraient alors sur les cellules photosensibles de la rétine et créeraient des images qui aideraient l’oiseau à «naviguer». L’existence d’une connexion directe entre les cellules photosensibles et le Cluster N est donc mise en évidence. Ce lien direct entre les yeux et le Cluster N est démontré par une expérience menée par des chercheurs allemands ayant injectés dans des yeux de Fauvettes en migration un traceur spécial coloré dont le trajet à travers les nerfs optiques (nerf trijumeau) peut être suivi, et un autre traceur dans le Cluster N. Leurs travaux montraient que, lorsque l’oiseau s’oriente, ces deux substances se déplaçaient et se retrouvaient dans le Thalamus (indiqué par la flèche violette sur le deuxième schéma).
Sous l’action des molécules de cryptochrome les oiseaux verraient les lignes du champ magnétique comme une superposition "d’ombres et de lumières" par-dessus le spectre lumineux visible.
Lorsque les oiseaux bougent leurs têtes, faisant ainsi changer l’angle entre celle-ci et le champ magnétique terrestre, ces zones d’ombre se déplaceraient par-dessus leur champ de vision. Les oiseaux utiliseraient alors ce motif d’ombres mobiles pour s’orienter en respectant le champ magnétique.
(Vue panoramique de Francfort en Allemagne) Le document montre le paysage perçu par un oiseau volant à une altitude de 200m. Son champ visuel est modifié par le « filtre magnétique », c’est-à-dire les zones d’ombres qui s’y superposent afin de reconstituer les lignes de champs.
Le champ magnétique seul est représenté par des zones de lumière sur fond gris (B). Concrètement l’oiseau calque ce qu’il perçoit du champ magnétique, c’est-à-dire ces zones de lumière, sur le paysage(A).
La boussole aviaire ne ressemble en rien à la boussole utilisée par les hommes. En effet, elle n’indique pas le nord et le sud, mais l’inclinaison par rapport à la verticale de la Terre(en orange sur le schéma).Par exemple, sans changer les pôles, mais en inversant simplement la composante verticale, des chercheurs sont parvenus à faire décoller des cobayes à l’opposé de leur choix habituel, ils ont effectivement réussi à faire partir virtuellement des rouges-gorges plein nord en hiver. Si le champ magnétique s’inversait, les oiseaux n’en modifieraient pas plus leur migration puisque leur boussole indique plutôt les directions « vers le pôle » et « vers l’équateur ». Ils sont sensibles à l’inclinaison des lignes du champ mais non à leur polarisation. Les oiseaux sont sensibles à l’angle formé par les lignes de champs avec l’horizontale (en bleu sur le schéma). Cet angle diminue avec la latitude, ainsi il passe de 90° aux pôles à 0°l’équateur.
Sur le schéma : la flèche rouge représente un oiseau qui, pour aller du Sud au Nord, "remonterait" les inclinaisons magnétiques. La polarisation se repère par rapport à l’horizontale (axe des x), tandis que c’est par rapport à la verticale (axe des y) que se repère l’inclinaison.
En A : nous constatons bien que l’angle formé par la ligne de champ avec l’horizontale est de (environ) 90°, puisque la flèche rouge se confond avec l’axe des y c’est-à-dire la verticale.
En B : nous observons que la polarisation de la flèche rouge sur la ligne de champ est négative mais son inclinaison positive.
En C : nous constatons bien que l’angle entre la ligne de champ et l’horizontale vaut 0° puisque la flèche rouge est confondue avec l’axe des x c’est-à-dire l’horizontale.
En D : nous remarquons que la polarisation et l’inclinaison de la flèche rouge sont négatives.
