Comment les oiseaux migrateurs
ne se perdent-ils jamais ?
Certains oiseaux parcourent des milliers de kilomètres et reviennent, l'année suivante, dans le même jardin. Sans carte, sans parent pour les guider, un individu peut atteindre sa destination dès son tout premier voyage. L'oiseau combine plusieurs repères à la fois, et l'un d'eux pourrait bien consister à « voir » le champ magnétique terrestre.
L'hirondelle rustique arrive au Japon au printemps et repart en Asie du Sud-Est à l'automne. On sait qu'elle revient l'année suivante sous l'avant-toit exact de la même maison.
La sterne arctique, elle, fait la navette entre l'Arctique et l'Antarctique. Sa distance annuelle parcourue se compte en dizaines de milliers de kilomètres. Des suivis par balise ont même rapporté des individus dépassant les 90 000 km.
Plus étrange encore : certains oiseaux ne volent pas avec leurs parents. Chez certaines espèces, les jeunes partent seuls, plus tard, vers une destination qu'ils n'ont jamais vue. Sans que personne le leur ait appris.
Il arrive même qu'ils traversent l'océan de nuit, sans aucun repère visuel. Sur quoi se fient-ils ?
La position du soleil, la disposition des étoiles, le champ magnétique terrestre, les odeurs, le relief. Si l'un fait défaut, un autre prend le relais. Le système n'a jamais qu'une seule corde à son arc.
Une boussole n'indique qu'une direction. Sans carte, impossible de retrouver son chemin en cas d'égarement. Le jeune oiseau et l'oiseau expérimenté ne disposent pas des mêmes outils.
Et dans le mécanisme même de perception du champ magnétique, une énigme reste entière. Voyons cela dans l'ordre.
Des repères, il y en a plusieurs
L'oiseau migrateur ne mise pas sur une seule méthode. Il utilise tout ce qui est disponible et bascule selon la situation.
- La position du soleil ― mais le soleil se déplace, donc sans savoir l'heure qu'il est, impossible d'en déduire une direction. L'oiseau associe cela à son horloge interne. Lorsqu'on décale artificiellement cette horloge en laboratoire, on observe que la direction de vol se décale exactement comme prévu
- La rotation des étoiles ― la nuit, le ciel étoilé tourne autour d'un point fixe au nord. Ce « centre de rotation » indique le nord. Des expériences en planétarium ont montré que les jeunes oiseaux apprennent ce repère : élevés sous un ciel étoilé tournant artificiellement, ils retiennent son centre comme étant le nord
- Le champ magnétique terrestre ― utilisable de jour comme de nuit, même par temps couvert. Et il fournit non seulement une direction, mais aussi un indice de latitude (voir plus bas)
- Les odeurs et le relief ― on pense aussi que l'oiseau se souvient de l'odeur de son lieu de naissance, ou suit le tracé d'une rivière ou d'un littoral
Ce système est volontairement redondant. Si un repère tombe en panne, l'ensemble continue de fonctionner. Vu que la vie de l'animal en dépend, cette conception n'a rien d'étonnant.
Le champ magnétique n'indique pas que la direction : il révèle aussi la « latitude »
Une boussole classique pointe vers le nord. Mais le champ magnétique terrestre porte une information supplémentaire : l'angle que forment les lignes de champ avec le sol.
Près de l'équateur, ces lignes sont presque horizontales. En se rapprochant des pôles, elles plongent de plus en plus vers le sol, presque à la verticale. En mesurant cet angle, on peut donc savoir à quelle latitude on se trouve approximativement.
De fait, la boussole magnétique de l'oiseau ne lirait pas « où est le nord », mais « où est le pôle ». Elle ne distinguerait pas le pôle nord magnétique du pôle sud, mais déduirait, à partir de l'inclinaison des lignes de champ, le côté du pôle et le côté de l'équateur. Le principe diffère de celui d'une boussole humaine.
Cette différence peut être vérifiée expérimentalement. En laboratoire, si l'on inverse verticalement le champ magnétique, l'oiseau inverse son jugement du nord et du sud. Une boussole ordinaire, elle, ne changerait pas de sens sous cette manipulation.
Elle lit le côté du pôle, à partir de l'inclinaison des lignes de champ.
Boussole et carte : deux choses distinctes
Une distinction essentielle s'impose ici. « Connaître le cap » et « connaître sa position » sont deux choses totalement différentes.
Avec une simple boussole en forêt, si l'on s'égare, on ne peut pas rentrer. Connaître le nord ne suffit pas : sans savoir où l'on se trouve, impossible de décider dans quelle direction avancer.
Une expérience classique illustre cela. On capture un oiseau en pleine migration, on le transporte à plusieurs centaines de kilomètres de sa route habituelle, puis on le relâche. Les résultats divergent alors en deux cas (bas de la figure 1).
- Le jeune oiseau (première migration) continue tout droit dans la direction initiale et arrive dans un lieu différent de sa destination prévue
- L'oiseau expérimenté corrige sa trajectoire et rejoint sa destination initiale
Autrement dit, le jeune oiseau part avec seulement une instruction innée : « voler dans telle direction, pendant telle durée ». Cela suffit, la plupart du temps, à atteindre la destination. L'oiseau expérimenté, lui, a acquis un moyen de savoir où il se trouve, ce qui lui permet de corriger un écart.
Le premier voyage servirait à construire une carte, que les suivants utiliseraient. C'est du moins l'hypothèse retenue.
Le plus grand mystère ― comment perçoivent-ils le champ magnétique ?
Le mécanisme de perception du champ magnétique reste inconnu. Deux hypothèses sérieuses s'affrontent, chacune appuyée par des preuves. Il est possible que les deux soient utilisées à la fois.
De minuscules particules magnétiques, situées par exemple dans le bec, seraient attirées par le champ et bougeraient légèrement ; des nerfs détecteraient ce mouvement. Un mécanisme intuitif, proche d'une boussole classique.
Une protéine de l'œil, exposée à la lumière, déclencherait une réaction dont le déroulement varierait légèrement selon le champ magnétique. Si cette hypothèse est juste, l'oiseau « verrait » littéralement le champ magnétique.
Des observations intéressantes appuient l'hypothèse B.
- La boussole magnétique de l'oiseau ne fonctionne pas dans le noir. Elle nécessite même une couleur de lumière précise. Si le mécanisme reposait sur un simple aimant, la lumière n'aurait aucune importance
- Un très faible champ électromagnétique de haute fréquence suffit à brouiller le sens de la direction. Une intensité si faible qu'elle ne fait même pas bouger une aiguille de boussole. Or, un mécanisme impliquant une réaction dans l'œil permettrait d'expliquer ce type de perturbation
Cette idée d'une « réaction dont le déroulement change avec le champ magnétique » relève du comportement des électrons, un phénomène du domaine de la mécanique quantique. Si un tel effet est réellement à l'œuvre dans un organisme vivant, c'est remarquable. Mais que ce mécanisme serve réellement, dans le corps, à déterminer une direction n'a pas encore été démontré.
Ce qu'on peut vérifier soi-même, dehors
- Choisissez une espèce migratrice familière (l'hirondelle rustique se voit du printemps à l'été, les canards et cygnes de l'automne à l'hiver)
- Notez chaque année la première date où vous la voyez, puis la date où elle disparaît
- Si possible, observez si le même nid est réutilisé l'année suivante (fréquent chez l'hirondelle rustique)
- Comparez vos notes aux relevés d'« observation phénologique des espèces » publiés depuis longtemps par l'Agence météorologique du Japon
Au bout de quelques années, des variations d'avance ou de retard d'une année sur l'autre apparaissent. La date de migration dépend de la température et de la durée du jour : vos notes deviennent aussi un indice du changement climatique. Ne vous approchez pas trop des nids, ne touchez ni aux œufs ni aux oisillons. Des lois protègent la faune sauvage, et cela peut gêner la reproduction. Observez toujours à distance.
En résumé
Si les oiseaux migrateurs ne se perdent pas, c'est parce qu'ils combinent plusieurs repères : soleil, étoiles, champ magnétique terrestre, odeurs. Le jeune oiseau part avec seulement une instruction innée de « direction et durée » ; avec l'expérience, il acquiert un moyen de connaître sa position. Et comment il perçoit le champ magnétique reste, à ce jour, un mystère non résolu.
L'oiseau ne « sent » peut-être pas le champ magnétique,
il le « voit » peut-être.
Parmi les animaux qui, eux aussi, communiquent une direction à leurs congénères en se repérant au soleil, il y a l'abeille et sa danse en huit : voir notre article sur les abeilles. Un poisson qui, de la même façon, se repère au champ magnétique terrestre au cours d'un long voyage en mer est présenté dans Pourquoi le saumon retrouve-t-il sa rivière natale ?
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres et liens avec les manuelsDu collège aux sujets encore en recherche, le niveau de chaque partie est précisé
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique-chimie » ou « SVT » de seconde/tronc commun
- Lycée＋Spécialités de terminale, ou contenu approfondi/encart des manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (biophysique, chimie quantique)
- RechercheMême à l'université, ce n'est pas encore une théorie établie : un sujet que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : migration et orientation
- Champ magnétique terrestre : le champ magnétique de la Terre. Sa forme ressemble à celle d'un barreau aimanté placé au centre du globe.
- Inclinaison magnétique : l'angle que forment les lignes de champ avec le plan horizontal. Proche de 0 degré à l'équateur, proche de 90 degrés aux pôles. C'est ce que le texte appelle « l'inclinaison ».
- Boussole à inclinaison : un système qui ne distingue pas nord et sud, mais déduit le côté du pôle et celui de l'équateur à partir de l'inclinaison. C'est celui qu'utiliserait l'oiseau.
- Pulsion migratoire : en saison de migration, même en captivité, l'oiseau devient agité et tente de s'élancer dans une direction précise. Les chercheurs enregistrent cette direction pour étudier son orientation.
- Expérience de déplacement : transporter un oiseau loin de sa route habituelle et le relâcher pour observer comment il vole. Une méthode pour vérifier s'il possède une « carte ».
LycéeVérification par le calcul : à quel point le champ lu par l'oiseau est-il faible ?
Tout indique que l'oiseau migrateur se fie au champ magnétique terrestre. Mais quelle est l'intensité de ce champ ? Comparée à un aimant du quotidien, la réponse surprend.
| Intensité du champ magnétique terrestre | environ 50 microteslas ＝ 0,00005 T |
| Aimant de réfrigérateur | environ 5 milliteslas ＝ 0,005 T |
| Rapport entre les deux | 0,005 ÷ 0,00005 ＝ 100 fois |
Le champ magnétique terrestre ne fait qu'un centième de celui d'un aimant de réfrigérateur. À peine de quoi faire tourner l'aiguille d'une boussole.
Dans ce champ si faible, l'oiseau parviendrait pourtant à lire non seulement une direction, mais une information équivalente à « où est le nord ». Cette faiblesse même complique l'élucidation du mécanisme. Aimant interne ou réaction chimique sensible au champ : le débat continue.
Le champ magnétique terrestre n'est pas horizontal. Plus on va vers le nord, plus il plonge vers le sol. Cette inclinaison est directement liée à la latitude.
tan(inclinaison) ＝ 2 × tan(latitude)
| Inclinaison | angle du champ vers le sol [degrés] |
| Latitude | angle depuis l'équateur [degrés] |
| tan | fonction qui donne un rapport à partir d'un angle |
| À Tokyo (latitude 35°), tan(35°) vaut | environ 0,70 |
| On multiplie par 2 | 2 × 0,70 ＝ 1,40 |
| L'angle dont la tangente vaut cela | environ 54 degrés |
À Tokyo, le champ magnétique terrestre plonge d'environ 54 degrés vers le sol. Presque en diagonale. Si une boussole classique indique l'horizontale, c'est parce que son aiguille est conçue pour rester à plat — le champ lui-même n'est pas horizontal.
C'est le point clé. Mesurer l'inclinaison permet de connaître la latitude. 0 degré à l'équateur, 90 degrés aux pôles. Le champ magnétique terrestre indique donc non seulement une direction, mais aussi « à quelle latitude on se trouve ». Pour un oiseau sans carte ni GPS, ce serait un moyen de connaître sa position en cours de migration.
※ Cette formule suppose que la Terre se comporte comme un simple barreau aimanté. En réalité, le champ magnétique terrestre varie selon le lieu et évolue lentement avec le temps.
La sterne arctique, connue pour sa migration entre l'Arctique et l'Antarctique, parcourrait environ 70 000 km par an.
| En 1 an | 70 000 km |
| Sur 30 ans de vie | 70 000 × 30 ＝ 2 100 000 km |
| Distance Terre-Lune | environ 380 000 km |
| Équivalent en allers-retours vers la Lune | 2 100 000 ÷ 380 000 ≒ 5,5 fois |
Au cours de sa vie, cet oiseau parcourt l'équivalent de 5 allers-retours et demi vers la Lune. Et souvent, sans que personne ne lui ait montré le chemin, dès son premier voyage.
Comme on l'a vu au ①, ce repère est cent fois plus faible qu'un aimant de réfrigérateur. Et c'est avec cela que l'oiseau parcourt une telle distance. La simple mise côte à côte de ces deux chiffres montre à quel point ce phénomène est extraordinaire.
LycéeLe champ magnétique terrestre et la migration, en chiffres
| Intensité du champ magnétique terrestre | environ 25 à 65 microteslas (selon le lieu) |
| Aimant de réfrigérateur | quelques milliteslas ＝ plus de 100 fois le champ terrestre |
| Inclinaison (près de l'équateur) | environ 0 degré (presque horizontale) |
| Inclinaison (région du Japon) | environ 45 à 60 degrés |
| Migration annuelle de la sterne arctique | plusieurs dizaines de milliers de km (des individus ayant dépassé 90 000 km ont été rapportés) |
※ Le champ magnétique terrestre varie selon le lieu et l'époque. Ce sont des valeurs représentatives.
On mesure ainsi à quel point le champ magnétique terrestre est faible. Un signal plus de cent fois plus faible qu'un aimant du quotidien, que l'oiseau parviendrait à lire. Et cela, tout en volant, en mouvement constant.
LycéeLycée＋Pourquoi la boussole solaire a besoin d'une horloge
Le soleil parcourt environ 360 degrés du ciel en une journée, soit 15 degrés par heure. Autrement dit, retenir que « la direction du soleil ＝ l'est » ne sert à rien sans connaître l'heure.
C'est pourquoi tout animal utilisant le soleil le combine forcément avec une horloge interne. Une expérience classique consiste à « décaler l'horloge » : en avançant artificiellement l'horloge interne de 6 heures grâce à un cycle lumière-obscurité artificiel, la direction de vol se décale d'environ 90 degrés (6 heures × 15 degrés). Cette correspondance exacte constitue une preuve solide de cette hypothèse.
La boussole stellaire, elle, ne nécessite aucune horloge, car son centre de rotation indique le nord quelle que soit l'heure. Chaque repère a ses propres conditions d'utilisation.
UniversitéComment le champ magnétique peut-il modifier une réaction chimique ?
L'hypothèse B du texte principal est appelée mécanisme de la paire radicalaire. Son principe :
- Une protéine de l'œil, la cryptochrome, absorbe la lumière
- Un électron se déplace, formant une paire de deux radicaux (molécules à électron non apparié)
- La relation entre les spins de ces deux électrons (état singulet et état triplet) oscille au cours du temps
- La vitesse de cette oscillation varie légèrement selon la direction et l'intensité d'un champ magnétique extérieur
- Il en résulte une variation dans la proportion des produits finaux, qui constitue le signal
Le point essentiel ici est que cet effet ne s'explique pas par une question d'énergie. L'énergie que le champ magnétique terrestre apporte au spin des électrons est bien plus faible que l'énergie thermique à température ambiante ; en toute logique, elle devrait se perdre dans le bruit thermique. Si l'effet subsiste malgré tout, c'est parce que la vitesse de la réaction dépend directement de l'état de spin lui-même. Ce n'est pas une question de grandeur d'énergie, mais un changement d'état quantique qui est lu.
En 2021, une étude en tube à essai sur la cryptochrome d'un rouge-gorge migrateur a rapporté une variation de la réaction en fonction du champ magnétique. Cette sensibilité serait plus élevée que chez des oiseaux non migrateurs. Toutefois, il s'agit d'un résultat en tube à essai ; que ce même phénomène se produise dans l'œil d'un oiseau vivant, et qu'il serve réellement à déterminer une direction, reste à démontrer.
RechercheDe nombreuses questions restent sans réponse
- L'organe récepteur du champ magnétique n'a toujours pas été identifié. Il existe l'hypothèse de l'œil et celle du bec, mais aucune zone n'a été confirmée comme étant « le » récepteur. Des expériences par section de nerfs ou par manipulation génétique ont été menées, mais leurs résultats divergent selon les laboratoires, ce qui pose un problème de reproductibilité.
- Aucune preuve n'existe encore qu'un effet quantique opère réellement chez un oiseau vivant. Un fossé important sépare les résultats en tube à essai du comportement d'un oiseau en vol. Le corps est chaud et désordonné, et la question centrale est de savoir si un état de spin peut y être maintenu assez longtemps. Certains calculs théoriques jugent cela possible, mais une observation directe reste difficile.
- La nature exacte de la « carte » reste inconnue. Pour expliquer comment l'oiseau expérimenté connaît sa position, plusieurs hypothèses ont été proposées : une combinaison de l'intensité du champ magnétique et de l'inclinaison, la répartition des odeurs, ou encore des sons de basse fréquence. Aucune n'est décisive, et le mécanisme pourrait différer selon l'espèce.
- L'effet des ondes électromagnétiques artificielles fait aussi débat. Certaines études rapportent que le faible bruit électromagnétique des zones urbaines perturbe le jugement directionnel des oiseaux, mais l'ampleur de cet effet et ses conséquences réelles sur la migration ne font pas encore consensus.
Le vol d'oiseaux que l'on observe chaque année porte en lui des questions directement liées à la physique de pointe.
Correspondance avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・champ et lignes de champ magnétique／structure de la Terre／comportement animal | Champ magnétique terrestre, inclinaison, repères de migration |
| Lycée | Physique-chimie・champ magnétique／SVT・perception des stimuli et comportement | Comparaison d'intensités magnétiques, expérience de décalage horaire |
| Lycée＋ | SVT・comportement animal (orientation)／physique・électrons et champ magnétique | Programme inné et apprentissage, expérience de déplacement |
| Université | Biophysique・chimie quantique・chimie de spin | Mécanisme de la paire radicalaire, cryptochrome, états singulet et triplet |
| Recherche | Biologie quantique・éthologie (non résolu) | Identification du récepteur, preuve in vivo, nature de la carte |
- Wiltschko, W. & Wiltschko, R., Magnetic compass of European robins, Science 176, 62–64, 1972 (découverte de la boussole à inclinaison).
- Perdeck, A. C., Two types of orientation in migrating starlings, Ardea 46, 1–37, 1958 (expérience de déplacement).
- Emlen, S. T., Migratory orientation in the indigo bunting, The Auk 84, 1967 (étude de la boussole stellaire en planétarium).
- Xu, J. et al., Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird, Nature 594, 535–540, 2021 (sensibilité magnétique de la cryptochrome).
- Hore, P. J. & Mouritsen, H., The radical-pair mechanism of magnetoreception, Annual Review of Biophysics 45, 299–344, 2016 (synthèse).
- Relevés d'observation phénologique de l'Agence météorologique du Japon (気象庁 「生物季節観測」, Agence météorologique japonaise).
※ Les distances de migration et les valeurs du champ magnétique varient selon les individus et les lieux. Cet article présente des ordres de grandeur couramment cités.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Lors de l'observation d'oiseaux sauvages, ne vous approchez pas trop des nids ni des individus. Des lois protègent la faune sauvage et sa gestion, et une telle approche peut gêner la reproduction. Observez toujours à distance, en suivant les recommandations des autorités locales ou d'associations ornithologiques. Les valeurs chiffrées présentées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène.