2005 Année Internationale de la PHYSIQUE
dans le Nord - Pas-de-Calais


Pourquoi le papillon a-t-il de si belles couleurs ?

Quelques liens

Expo Papillon

Office pour les Insectes et leur Environnement

Microcox

Université de Strasbourg

Papillons en macro-photo : de superbes photos.

Les couleurs des papillons ou l'impérative beauté : un ouvrage pour en savoir plus.

La couleur des papillons

Les papillons utilisent plusieurs techniques pour que leurs ailes aient les belles couleurs qu'on leur connaît. Ils peuvent utiliser les pigments colorés contenus dans les feuilles des plantes que consomment les chenilles : par exemple, les pigments de la famille des caroténoïdes comme les carotènes qui permettent des colorations qui vont du jaune au rouge. Ces pigments sont conservés après digestion et sont transmis à la chrysalide puis au papillon, qui les réutilisealors. Par mélange des pigments, ils peuvent obtenir de multiples couleurs. 

D'autres espèces obtiennent leurs couleurs par phénomène optique : leurs écailles sont striées de minuscules plis qui renvoient à l'oeil une seule longueur d'onde, donc une seule couleur, par diffraction de la lumière du soleil. Ce phénomène est très visible chez le Grand Mars Changeant, qui change de couleur selon l'angle de vue.  Certains papillons comme les piérides sont des champions du recyclage; ils utilisent leurs excréments en les stockant dans leurs ailes, ce qui leur donne leur couleur blanche très pure. Cette pratique a une double utilité puisque par la même occasion, elle les rend non comestibles.

Phénomène fréquent dans la nature, l'iridescence se rencontre notamment chez les insectes (papillons, coléoptères...), les oiseaux, les poissons ou les céphalopodes...  A l'origine de couleurs plus merveilleuses les unes que les autres, l'iridescence n'en est pas pour autant un luxe. Ses couleurs, fruit d'une longue évolution, sont très importantes à la survie de nombreuses espèces, que ce soit pour attirer un partenaire ou faire fuir un prédateur (les signaux ne sont pas perçus de la même façon selon les espèces). Mais comment se forment ces couleurs?

La structure des ailes des papillons

Une aile de papillon est constituée de deux membranes accolées, organisée par un réseau de nervures, caractéristique de chaque espèce (très visibles chez les piérides, par exemple). Sur les deux faces, l'aile est recouverte d'écailles.  Ces écailles, elles-mêmes constituées de chitine, ont plusieurs rôles, parmi lesquels celui qui nous intéresse : support de la couleur et des motifs chromatiques. Leur forme, leur taille et disposition influent sur le rendu des couleurs.  Les écailles dont la structure induit la couleur sont dites structurales, les autres contiennent des pigments.

Chez les Uraniidae, les écailles de fond contiennent des pigments, et forment un écran noir. Sur cet écran se détachent les écailles - structurales - de recouvrement.

Chez les Morphidae, les écailles de fond sont elles structurales, tandis que les écailles de recouvrement laissent passer la lumière.  Les écailles structurales présentent, sur leur face supérieure, un réseau de stries parallèles à l'écaille (présence parfois de contre-stries perpendiculaires). Ces stries présentent toutes une structure commune simple, modulable à loisir.  Elles sont composées de lamelles qui se superposent comme des tuiles, se recouvrant plus ou moins selon les espèces, mais toujours de telle façon, que le nombre de couches soit constant.  Les écailles pigmentairesmontrent des contre stries marquées et régulières, qui forment une structure alvéolaire, responsable (conjointement au pigment logé dans l'alvéole) de l'absorption ou de la diffusion des écailles de fond. La membrane supérieure de l'écaille est structurée en couches (jusqu'à six ou sept), entre lesquelles une circulation gazeuse est possible.

Les Uraniidae : couleurs interférentielles

Des deux types d'écailles des Uraniidaes, un seul réfléchit la lumière : les écailles structurales de recouvrement. Celles-ci ressemblent à des vagues, sur les crêtes desquelles vient se réfléchir la lumière. Mais les interférences se créent en fait à l'intérieur des écailles. Elles résultent d'un empilement de couches alternées d'air et de chitine, formant un réseau multicouche. Ce réseau fonctionne comme un miroir à facettes, qui renvoient chacune la lumière dans une seule direction, différente pour chaque. Les rayons ainsi renvoyés interfèrent entre eux (voir la figure : les interférences). Les interférences de couches minces Deux ondes sont en phase lorsque les interférences sont constructives. Si les interférences sont destructives, la couleur correspondante disparaît.

Les Morphidae : diffraction et interférences

On retrouve chez les Morphos les deux couches d'écailles mais, on l'a vu plus haut, les écailles de fond sont ici structurales (et source de couleur), tandis que les écailles de recouvrement sont transparentes ou atrophiées. Elles sont d'ailleurs responsables des différences d'éclat remarquées entre les différents Morphos (rôle de modulateur).  Les écailles de fond sont remarquables par la structure de leurs stries. Elles résultent, comme pour les écailles des Uraniidaes, d'un empilement de couches de chitines, qui forme un réseau de réflexion. Mais, les écailles étant ici rectangulaires et non convexe, ce réseau agit ici comme un miroir unique et non à facettes, et surtout disperse la lumière, au lieu de la renvoyer dans une seule direction(*). Ce miroir est bien sûr sélectif, puisque seules les couleurs interférant de manière constructive (voir plus haut) dans les couches sont diffractées. Autre point commun avec les Uraniidaes, le contraste est accentué par un fond sombre, du ici aux écailles ventrales, pigmentaires chez les Morphos.

La diffusion

C'est le phénomène le plus répandu chez nos papillons des régions tempérées : Piérides (blanches) ou Argus (bleus)... L'origine de le diffusion se trouve une fois de plus dans les stries, ou plutôt les contre-stries qui sont ici très développées. Ce développement occasionne la formation de cases. Chez la piéride, ces compartiments abritent des particules diffusantes (pigment, ici la ptérine). L'Argus, quand à lui, se présente comme le négatif de la piéride. En effet, les écailles ne présentent aucune inclusion, et le fond des "cellules" est tapissé d'une structure aérienne en éponge. Cette structure diffuse mal les grandes longueurs d'onde, alors que les petites (bleues ou violettes) le sont beaucoup mieux. Mais l'intensité et la pureté du bleu restent bien inférieures à celles obtenues par les Morphos. ( Ceux qui arrivent au bout et qui ont tout compris ont droit à une barbe à papa! )

Bienfaiteurs de la science...  L'étude et la compréhension des propriétés optiques des ailes des papillons, ainsi que la reproduction des phénomènes observés ont beaucoup apporté à l'optique. Les réflecteurs des lampes halogènes et chirurgicales, par exemple, ne reflètent pas les rayonnements infrarouges (et donc ne chauffent pas). C'est une application des phénomènes observés sur les ailes des Uraniidaes.

affiche papillon
écailles
ecailles bis