Comment la coccinelle passe au rouge
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Comment la coccinelle passe au rouge
Ici, le rouge d’un coquelicot. Là, le jaune d’une mésange. Plus loin, le bleu d’une libellule. Et, partout, le vert du feuillage. Il suffit d’une simple promenade printanière pour se rendre compte à quel point le monde vivant regorge de couleurs.
Ce foisonnement de nuances n’émerveille pas seulement les promeneurs, mais aussi les scientifiques, qui tentent de percer les secrets d’une telle diversité. Travaillant main dans la main, biologistes, physiciens et chimistes multiplient les recherches pour mieux comprendre comment les couleurs sont créées, comment elles ont été façonnées et quels rôles elles jouent.
Des couleurs sans pigment
Commencé il y a de nombreuses années, le travail de décryptage de cette symphonie chromatique a permis de faire progresser les connaissances. Mais les chercheurs et chercheuses ne sont jamais au bout de leurs surprises, même pour des espèces extrêmement communes. Dans une étude récente1, une équipe pluridisciplinaire composée de scientifiques du CNRS remet ainsi en question l’idée selon laquelle la couleur des coccinelles est due uniquement à des pigments.
En étudiant deux espèces de coccinelles (Adalia bipunctata, coccinelle à deux points, et Calvia quatuordecimguttata, coccinelle à quatorze points), ils ont montré que la structure microscopique des élytres Fermer Élytre : Aile dure et cornée des insectes coléoptères qui recouvre l’aile inférieure à la façon d’un étui. contribue également à leur coloration.
On sait en effet qu’il existe deux mécanismes distincts pour expliquer les coloris [10] des plantes et des animaux. D’un côté, les pigments, des molécules présentes au sein des organismes, apparaissent colorés parce qu’ils absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière visible et réfléchissent les autres. C’est ce phénomène qui domine dans la nature. Grâce au travail des chimistes, on a pu identifier une multitude de pigments, depuis les chlorophylles (vert) et les anthocyanes (rouge, bleu, violet) chez les plantes [11] jusqu’aux mélanines chez les animaux et les humains, et qui teintent en beige, brun, noir ou roux.
Mais il y a aussi ce qu’on appelle les « couleurs structurelles ». Dues à la présence de structures de taille inférieure au micromètre2, elles décomposent la lumière et renvoient certaines longueurs d’onde seulement. C’est ce même phénomène optique qui permet d’expliquer le bleu du ciel ou les iridescences à la surface d’une bulle de savon.
Bleu structurel
Grâce à la physique, qui permet d’identifier par microscopie électronique les différentes structures en question (empilement de couches, réseau de cavités, nanosphères...) et de décrire les effets optiques créés (diffusion, diffraction, interférences), on sait désormais que de nombreuses espèces animales exhibent ces couleurs structurelles : oiseaux, insectes, serpents, poissons… Et la liste s’allonge régulièrement.
« Chez les animaux, le bleu en particulier est, à quelques exceptions près, toujours produit par une structure. Car les pigments bleus, qui doivent être de grandes molécules pour pouvoir absorber le rouge, sont difficiles à synthétiser, alors qu’une structure crée facilement cette couleur », précise Serge Berthier, professeur à Sorbonne Université au sein de l’Institut des nanosciences de Paris3.
Le bleu chatoyant des plumes du paon, le bleu électrique du museau du mandrill [12], ou encore le bleu métallique des ailes du papillon morpho [13] en sont quelques exemples. Même chose pour les couleurs iridescentes de la nacre des coquillages [14], du cou du pigeon biset ou de la carapace de certains scarabées, qui sont toujours d’origine structurelle.
Plus étonnant encore : dans certains cas, pigments et structures peuvent se combiner pour créer la coloration. C’est le cas chez la perruche ondulée. Le vert de son plumage provient de pigments jaunes et d’une couleur structurelle bleue.
Le rouge des coccinelles
Dans le cas de la coccinelle, aucune étude ne s’était penchée jusqu’à présent sur l’existence de ces couleurs structurelles. L’explication était simple : cet insecte doit sa coloration à des pigments comme les caroténoïdes (pour le rouge et l’orange) et les mélanines (pour les points noirs).
« Ce que nous avons montré, grâce à des observations en microscopie électronique et des simulations numériques, c’est que ses élytres se comportent en réalité comme un système optique complexe, dans lequel l’organisation des structures et les pigments interagissent pour créer la couleur finale perçue, explique Marzia Carrada, chargée de recherche au CNRS4 et autrice principale de ces travaux. Pour la coccinelle à deux points, la présence de multiples couches de chitine très fines, d’une centaine de nanomètres5, dans l’exocuticule (la partie juste en dessous de la surface des élytres) produit des interférences qui créent une coloration orange pastel. Puis les pigments de caroténoïdes intensifient ce signal et le résultat est cette couleur plus vive, rouge orangé. »
Pour donner du poids à ce scénario, l’équipe a observé que, même en l’absence de pigments (en les diluant dans un solvant), les élytres apparaissent bel et bien orange pastel.
Quant à la coccinelle à quatorze points, elle aussi doit sa couleur marron orangé à l’effet conjugué des interférences créées par ces multicouches et des pigments (caroténoïdes et autres). Mais elle tire en outre parti d’un second phénomène optique. Des concavités, mesurant une centaine de nanomètres, présentes à la surface de ses élytres, diffusent les ondes lumineuses dans toutes les longueurs d’onde, créant la coloration blanc crème de ses points.
Les couleurs, histoires d’évolution
Loin d’être une simple curiosité de spécialistes de la physique, la compréhension fine de la formation des couleurs dans le monde vivant permet d’éclairer le rôle joué par ces dernières. Car les couleurs, fruit de millions d’années d’évolution, revêtent une importance cruciale pour les organismes, en leur permettant une parfaite adaptation à leur environnement.
« Les couleurs assurent de multiples fonctions. Elles servent à se cacher des prédateurs et des proies, en se camouflant – tel le lièvre commun, qui se fond sur le sol grâce à son pelage brun – ou, au contraire, à se montrer. De nombreuses espèces d’animaux toxiques ou venimeuses, comme la guêpe ou la salamandre, arborent des couleurs vives, souvent associées à du noir, pour dissuader les prédateurs. Les teintes variées des fleurs attirent différents types de pollinisateurs. Et, dans bon nombre d’espèces animales, les femelles préfèrent s’accoupler avec les mâles les plus colorés », détaille Jean-Michel Gibert, biologiste au CNRS6 et auteur du livre Les Couleurs du vivant.
Communication par les couleurs
Pour les coccinelles, les biologistes savaient déjà que les motifs formés par les couleurs constituent un signal d’avertissement contre les prédateurs, ces insectes recelant des substances toxiques. Mais la découverte d’une composante structurelle ouvre de nouvelles perspectives pour mieux comprendre cette communication par les couleurs.
« Jusqu’à présent, toutes les études se focalisaient sur la quantité de caroténoïdes qu’une coccinelle trouve dans son alimentation (ces insectes ne peuvent pas produire eux-mêmes ces pigments) pour expliquer sa couleur et, ainsi, son succès adaptatif. Avec nos travaux, on comprend maintenant que ce n’est pas si simple et que la structure des élytres joue aussi un rôle important. D’autant que de nombreux prédateurs ne voient pas comme nous. Les oiseaux, par exemple, sont sensibles aux ultraviolets », pointe Marzia Carrada.
À terme, la chercheuse et son équipe envisagent d’étudier d’autres espèces de coccinelles pour mettre en évidence des différences dans la structure de leurs élytres qui pourraient permettre d’expliquer leur adaptation à tel ou tel environnement. Un travail qui passera également par la recherche de gènes impliqués dans la mise en place de ces structures.
La génétique des couleurs
C’est d’ailleurs l’un des grands enjeux actuels des recherches. Établir les bases génétiques des couleurs aiderait à mieux comprendre leur mise en place durant le développement des organismes et comment la sélection naturelle les a façonnées.
« Pour les couleurs pigmentaires, on a déjà identifié de nombreux gènes impliqués dans la synthèse des pigments et compris comment des mutations génétiques au sein d’une espèce génèrent de la diversité. Des travaux sur les fleurs ont montré, par exemple, que parmi les ipomées et les penstemons, certaines espèces bleues à l’origine sont devenues rouges à la suite de mutations affectant la synthèse des anthocyanes. Et que ce changement de couleur a entraîné un changement de pollinisateur, les colibris préférant les fleurs rouges et les abeilles, les bleues », relève Jean-Michel Gibert.
Des applications dérivées du vivant
Pour les couleurs structurelles, en revanche, ce travail ne fait que commencer. Avec déjà de beaux résultats. Ainsi, une équipe est parvenue à développer une lignée de papillons à la coloration bleue à partir d’individus bruns, en sélectionnant ceux qui possédaient quelques écailles bleues. Et ils ont pu établir que ce changement de couleur est dû à une augmentation d’épaisseur de la couche inférieure des écailles. Une étape indispensable si l’on veut identifier les gènes responsables de ces couleurs structurelles.
Sans attendre une totale compréhension des mécanismes biologiques, les physiciennes et physiciens ont développé des applications directement inspirées par les couleurs du vivant. Ainsi, à partir de l’aile du papillon morpho, dont ils ont étudié la structure et les propriétés optiques sous toutes les coutures, Serge Berthier et son équipe ont mis au point, en partenariat avec des industriels, des capteurs capables de changer de couleur en fonction de la vapeur à laquelle les papillons sont exposés, et même du vernis à ongles bleu dépourvu de tout pigment potentiellement toxique. La nature n’a pas fini d’illuminer la recherche.
À lire
Les Couleurs du vivant [15], de Jean-Michel Gibert, 330 pages, CNRS Éditions, 2024 (lire un extrait [16]).
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Vers des pigments à base de nanoparticules
Au-delà du vivant, la nature nous donne à voir bien d’autres couleurs, parfois inattendues. Prenez l’or. Sa coloration habituelle est jaune dorée. Mais saviez-vous que lorsque ce métal est réduit à des particules de taille nanométrique [17], il se pare alors d’un beau rouge rubis ? Cette couleur, due au phénomène appelé « résonance de plasmon », est bien connue des scientifiques. Mais sa description fine manquait.
Les travaux7 d’Olivier Pluchery, enseignant-chercheur à Sorbonne Université à l’Institut des nanosciences de Paris, et de son équipe viennent combler ce manque. L’analyse de 12 échantillons de nanoparticules d’or en suspension dans l’eau (de taille croissante, de 15 à 110 nanomètres) a confirmé que ces solutions apparaissent rouges ou violettes en transmission pour tous les diamètres de nanoparticules.
L’analyse a aussi révélé que, pour des diamètres compris entre 70 et 90 nanomètres, un effet de diffusion devient visible, faisant apparaître les fioles orange saumon en réflexion. Un tel matériau exhibant ainsi deux couleurs distinctes est dit « bichromatique ».
En parfait accord avec ces résultats, les simulations numériques des scientifiques leur ont permis de mettre au point un logiciel de prédiction des couleurs (pour l’or, mais aussi l’argent et le cuivre) selon la taille des particules, leur quantité, le matériau dans lequel elles sont placées (eau, verre) et son épaisseur. Cet outil, accessible en ligne8, laisse présager de nombreuses applications pour ces pigments d’un nouveau genre.
« On peut imaginer l’utilisation de nanoparticules d’or dans les encres ou les peintures pour remplacer certains pigments rouges toxiques, comme ceux à base de cadmium, se réjouit Olivier Pluchery. Ou encore la création de flacons de parfum bichromatiques, dont la couleur change suivant l’éclairage. »
Consultez aussi
Couleurs toxiques [18] (BD sur le blog Focus sciences)
La science éclaire la couleur [10] (vidéo)
- 1. M. Carrada, et al., « Decoding ladybird’s colours: Structural mechanisms of colour production and pigment modulation », PLOS One, 2025 : https://doi.org/10.1371/journal.pone.0324641 [19]
- 2. 1 micromètre = 1 millième de millimètre, soit un millionième de mètre.
- 3. INSP, unité CNRS/Sorbonne Université.
- 4. Au sein du Centre d’élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES).
- 5. 1 nanomètre = 1 millionième de millimètre, soit 1 milliardième de mètre.
- 6. Au sein du laboratoire Développement, adaptation, vieillissement (Dev2A, unité CNRS/Inserm/Sorbonne Université).
- 7. O. Pluchery, et al., « A complete explanation of the plasmonic colours of gold nanoparticles and of the bichromatic effect », Journal of Materials Chemistry C, 2023 : https://doi.org/10.1039/D3TC02669H [20]
- 8. https://bichromatics.com/calculator/ [21]
Voir aussi
