Dans la piscine, ouvrir les yeux donne une vision floue, mais les poissons voient net : pourquoi ?
― L'œil humain n'est net qu'en présence d'air
Ouvrir les yeux dans l'eau n'abîme pas l'œil lui-même. Ce qui disparaît, c'est la « frontière avec l'air » qui se trouvait tout à l'extérieur de l'œil. Chez l'humain, cette frontière assurait environ les deux tiers de la mise au point. L'œil du poisson, lui, ne compte pas dessus dès le départ.
Vous voulez récupérer des clés tombées au fond de la piscine, alors vous ouvrez les yeux sous l'eau. Vos yeux sont bien ouverts, mais vous ne voyez qu'une tache de couleur floue.
Puis, dès que vous mettez un masque, cette même eau devient soudain nette. L'eau n'était donc pas trouble.
Dans cette même eau, le poisson repère sans peine sa nourriture minuscule. Qu'est-ce que l'œil du poisson a de particulier ?
Il y a deux grandes raisons
Ce qui courbe la lumière entrant dans l'œil, ce n'est pas tant le cristallin, au fond, que la cornée, à l'avant. Mais la cornée ne peut courber la lumière que si l'extérieur est de l'air.
La cornée est composée presque exclusivement d'eau. Si l'extérieur devient aussi de l'eau, c'est comme si la frontière n'existait plus pour la lumière : elle traverse tout droit.
Autrement dit, pour construire un œil « fait pour vivre dans l'eau dès le départ », comme celui du poisson, il faut courber la lumière autrement qu'avec la cornée. Voyons cela en détail.
Où la lumière est-elle courbée ?
La lumière ne change de direction qu'en traversant obliquement la frontière entre deux milieux de nature différente. Ce degré de courbure s'appelle l'indice de réfraction : environ 1,00 pour l'air, environ 1,33 pour l'eau. Plus l'écart est grand, plus la lumière est courbée.
L'indice de réfraction de la cornée humaine est d'environ 1,38. L'écart avec l'air (1,00) atteint environ 0,38, et la cornée est en plus une surface bombée vers l'avant. La lumière venue de l'extérieur est donc fortement courbée vers l'intérieur dès la surface de la cornée. Cette seule étape assure environ les deux tiers de la puissance de mise au point nécessaire à l'œil.
Le tiers restant est pris en charge par le cristallin, au fond de l'œil. C'est l'ajusteur qui change d'épaisseur pour voir de près. L'œil humain répartit donc le travail : un « gros courbeur » et un « ajusteur fin ».
Que se passe-t-il dans l'eau ?
La cornée est composée à près de 80 % d'eau en poids. Son indice de réfraction reste donc proche de celui de l'eau, autour de 1,38. L'écart avec l'eau (1,33) n'est plus que de 0,05.
Pour la lumière, cet écart équivaut presque à une absence de frontière. La belle surface bombée ne sert plus à rien, et la lumière entre dans l'œil presque sans dévier. Le cristallin seul n'a pas assez de puissance, et la lumière converge non pas sur la rétine, mais bien plus loin derrière. C'est ce qu'illustre la partie droite de la figure 1.
Si le masque fonctionne, ce n'est pas parce qu'il contient une lentille correctrice. Il recrée simplement une poche d'air devant les yeux, redonnant à l'extérieur de la cornée son statut d'air. En retrouvant la frontière perdue, l'œil, lui, ne change en rien : il revient à sa vision habituelle.
Comment le poisson a-t-il résolu le problème ?
Chez le poisson aussi, l'extérieur de la cornée est de l'eau. Courber la lumière avec la cornée est donc, chez lui, exclu dès le départ. Le poisson a alors confié tout ce travail au cristallin.
C'est pourquoi le cristallin du poisson n'a pas la forme aplatie de celui de l'humain : il est presque une sphère parfaite. Assez dur pour se saisir entre les doigts, il ressemble, une fois extrait de l'œil, à une petite bille de verre. Son indice de réfraction augmente vers le centre, si bien que cette sphère unique fait converger la lumière en un point net, sans flou.
La mise au point diffère aussi. L'humain change l'épaisseur de son cristallin ; celui du poisson, trop dur, ne peut pas changer de forme. À la place, de petits muscles déplacent le cristallin lui-même vers l'avant ou l'arrière, comme on fait coulisser l'objectif d'un appareil photo. La figure 2, à droite, montre cette différence.
Le manchot ou le cormoran repèrent leurs proies aussi bien dans l'air que dans l'eau. Ces oiseaux ont une cornée peu courbée et un cristallin capable de changer fortement de forme, ce qui leur permet de compenser eux-mêmes la perte due à l'eau. Le lion de mer et le phoque procèdent autrement : leur cornée est presque plate, un œil conçu dès le départ pour l'eau. En contrepartie, on pense qu'ils voient légèrement myopes sur terre.
Entrer dans l'eau avec des lentilles de contact ne les fait pas seulement bouger : des micro-organismes présents dans l'eau peuvent aussi rester coincés entre la lentille et l'œil. Cela peut, rarement, provoquer une infection de la cornée difficile à soigner. Les sociétés savantes d'ophtalmologie japonaises et les fabricants recommandent donc de retirer ses lentilles pour nager, ou d'utiliser un masque à correction.
En résumé
Voir flou dans l'eau ne signifie pas que l'œil a été « vaincu » par l'eau. C'est simplement que l'œil humain est construit en supposant la présence d'air. Le poisson, lui, n'a pas misé sur cette pièce : il a choisi une autre solution, une lentille sphérique et dure. Sous le même mot « œil » se cachent en réalité deux plans de construction différents.
L'œil humain n'est complet qu'avec de l'air.
L'œil du poisson est complet dès le départ avec de l'eau.
Le phénomène de la lumière courbée à une frontière se retrouve, sous une forme plus familière, dans Pourquoi une paille plongée dans l'eau paraît-elle cassée ?. La baisse de vision dans le noir répond, elle, à un tout autre mécanisme. Voir aussi Pourquoi ne voit-on plus rien un instant en entrant dans une pièce sombre depuis un endroit lumineux ?
- Remplissez une bassine d'eau, plongez-y le visage et regardez, à l'œil nu, une serviette à motifs posée au fond. Remettez ensuite un masque : l'eau est la même, seule la vision change.
- Placez un petit dessin au fond d'un verre vide et regardez par le haut. Versez doucement de l'eau : la position du dessin semble légèrement remonter. C'est la preuve que la frontière entre l'eau et l'air courbe la lumière.
- Si vous achetez un poisson entier, observez la zone de l'œil. Sous la partie qui paraît noire se trouve une petite sphère dure et transparente, de forme bien différente de la lentille de l'œil humain.
Pour l'expérience du visage plongé dans l'eau, utilisez toujours une bassine peu profonde, sous la surveillance d'un adulte. En cas de douleur aux yeux, arrêtez immédiatement et rincez à l'eau du robinet.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux disciplines universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau collège, cours de sciences
- LycéeNiveau lycée, « physique-chimie » (ondes et lumière)
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, matière universitaire spécialisée (optique physiologique, ophtalmologie comparée)
- RechercheSujet qui n'est pas encore enseigné comme « établi » même à l'université, encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Indice de réfraction : nombre indiquant à quel point la lumière progresse difficilement dans une matière donnée. Avec le vide à 1, l'air vaut environ 1,00, l'eau environ 1,33, la cornée environ 1,38.
- Puissance de réfraction (vergence) : grandeur indiquant la capacité d'une lentille ou d'une surface bombée à courber la lumière. Unité : la dioptrie, inverse de la distance focale exprimée en mètres.
- Accommodation : capacité à ajuster la mise au point selon la distance d'observation. L'humain change l'épaisseur du cristallin ; la plupart des poissons déplacent le cristallin vers l'avant ou l'arrière.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de dioptries l'œil perd-il dans l'eau ?
Le sujet de cet article est « combien de puissance la cornée perd-elle dans l'eau ». Calculons directement cette quantité à partir de la formule de réfraction sur une surface sphérique.
| En symboles | P = ( N₂ − N₁ ) ÷ R |
| En mots | Puissance de réfraction = (indice de réfraction du milieu arrière − indice du milieu avant) ÷ rayon de courbure |
| D'où vient cette formule | C'est l'application de la loi de la réfraction à une frontière, dans le cas où la lumière passe près de l'axe de l'œil : on l'appelle la formule de réfraction sur dioptre sphérique. Si l'indice de réfraction est le même avant et après la frontière, la soustraction du membre de droite devient nulle, et la puissance de courbure disparaît aussi. |
| Indice de réfraction de la cornée | Environ 1,376 |
| Indice de l'air / indice de l'eau | Environ 1,000 / Environ 1,333 |
| Rayon de courbure de la surface cornéenne (symbole R, en mètres) | Environ 0,0078 (7,8 millimètres) |
| Puissance de réfraction totale nécessaire à l'œil | Environ 60 dioptries |
| Écart avec l'air | 1,376 − 1,000 = 0,376 |
| Puissance de la cornée dans l'air | 0,376 ÷ 0,0078 ≒ 48 |
| Écart avec l'eau | 1,376 − 1,333 = 0,043 |
| Puissance de la cornée dans l'eau | 0,043 ÷ 0,0078 ≒ 5,5 |
| Perte due à l'immersion | 48 − 5,5 = 42,5 |
| Équivalent en nombre de lunettes de lecture (2,5) | 42,5 ÷ 2,5 = 17 |
Sur les environ 60 dioptries nécessaires à l'œil tout entier, 42,5 disparaissent d'un coup. Une paire de lunettes de lecture correspond à environ 2,5 dioptries : c'est donc l'équivalent de 17 paires qui s'évanouit instantanément. Il n'est pas étonnant que la vision devienne floue.
LycéeLycée+Quelle est la puissance du cristallin sphérique du poisson ?
LycéeLe cristallin du poisson étant sphérique, sa distance focale est presque entièrement déterminée par son rayon. On sait depuis longtemps que la distance focale vaut environ 2,55 fois le rayon, une relation appelée rapport de Matthiessen. Pour un cristallin de rayon 3 millimètres, soit 0,003 mètre, la distance focale est 2,55 × 0,003 = 0,00765 mètre. La puissance de réfraction dans l'eau est alors 1,333 ÷ 0,00765 ≒ 174, soit près de trois fois la puissance totale de l'œil humain. Le cristallin assume donc à lui seul le rôle que jouait aussi la cornée.
Lycée+Avec une simple bille de verre ordinaire, les rayons passant en périphérie convergeraient plus près que ceux passant au centre, ce qui floute l'image : c'est l'aberration sphérique. Le cristallin du poisson est une lentille à gradient d'indice, dont l'indice augmente vers le centre, ce qui annule presque totalement cette aberration. Le trajet incurvé et progressif de la lumière à l'intérieur de la lentille est la différence décisive avec une bille de verre uniforme.
UniversitéL'œil modèle et la vision sous-marine vue par l'ophtalmologie comparée
En ophtalmologie, on utilise l'œil modèle de Gullstrand, qui remplace la cornée et le cristallin par plusieurs surfaces sphériques, pour traiter l'optique de l'œil dans son ensemble. En remplaçant, dans ce modèle, le milieu extérieur de l'air par de l'eau, on retrouve exactement le calcul de cet article, qui montre une hypermétropie d'environ 40 dioptries ou plus. La conception des lentilles à gradient d'indice, ainsi que les mécanismes d'accommodation des animaux voyant à la fois sur terre et dans l'eau, sont des thèmes majeurs de l'ophtalmologie comparée.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Puissance de réfraction (Wikipédia japonais) / Cristallin (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement élucidé
- Comment se forme ce gradient ? Le gradient d'indice de réfraction du cristallin du poisson serait dû à la répartition de la concentration d'une protéine appelée cristalline, mais le mécanisme qui maintient la forme de ce gradient à mesure que l'animal grandit n'est pas encore totalement expliqué.
- Jusqu'où l'entraînement peut-il améliorer la vision humaine ? Des rapports font état d'une acuité visuelle élevée, à l'œil nu et sous l'eau, chez des enfants de populations vivant de la mer ; on pense que la contraction de la pupille y joue un rôle. Mais la question de savoir dans quelle mesure cela peut être reproduit par l'entraînement reste débattue.
- Les limites des yeux « bifocaux ». Chez les animaux qui gardent une bonne acuité visuelle à la fois dans l'air et dans l'eau, on ignore encore, de façon unifiée, jusqu'où l'accommodation comble le manque : les mesures varient beaucoup d'une espèce à l'autre.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». L'optique de l'œil est un domaine ancien, mais les détails de la construction propre à chaque animal sont encore, aujourd'hui, activement étudiés.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Section correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : trajet de la lumière / structure de l'œil | Courbure de la lumière à une frontière, rôles du cristallin et de la rétine |
| Lycée | Physique-chimie (ondes et lumière, loi de la réfraction) | Formule de réfraction sur dioptre sphérique et calcul de la puissance de réfraction |
| Lycée+ | Approfondissement de physique (aberrations des lentilles) | Aberration sphérique et lentille à gradient d'indice |
| Université | Optique physiologique / ophtalmologie comparée | Œil modèle de Gullstrand, analyse de la vision sous-marine |
| Recherche | Physiologie de la vision / biologie du développement | Formation et maintien du gradient d'indice de réfraction |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi le masque fonctionne, pourquoi retirer ses lentilles de contact dans l'eau |
- Puissance de réfraction ― Wikipédia japonais (définition de la puissance de réfraction et de la dioptrie)
- Cristallin ― Wikipédia japonais (structure et accommodation du cristallin)
- Valeurs standard de la puissance de réfraction de la cornée et du cristallin, fondées sur l'œil modèle de Gullstrand. Largement citées dans les manuels d'ophtalmologie et d'optique physiologique.
- Rapport de Matthiessen (relation selon laquelle, pour le cristallin sphérique des poissons, la distance focale vaut environ 2,5 fois le rayon). Issu des travaux de L. Matthiessen au XIXe siècle, encore cité aujourd'hui dans les revues d'ophtalmologie comparée.
- Avertissement concernant la baignade avec des lentilles de contact. D'après les recommandations grand public des sociétés savantes d'ophtalmologie japonaises et des fabricants.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension des mécanismes. Pour tout problème oculaire ou pour l'utilisation de lentilles de contact, suivez les indications d'un ophtalmologiste ou de la notice du fabricant.