| Focus 1/2 | Lumière, vision et horloges biologiques

Les cycles de la lumière et les organismes vivants

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1. Le cycle solaire et les rythmes saisonniers

Encyclopédie environnement - lumière - cycle solaire — Figure 1. Le cycle solaire et les rythmes saisonniers. Schéma adapté de Gothika (image originale), Belg4mit (corrections), Simon Villeneuve (corrections) & Whidou (correction divers bugs SVG) ; [CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons].

La période de rotation de la Terre sur son propre axe en 24h est à l’origine du cycle jour/nuit. Depuis que la vie est apparue sur Terre, il y a près de 3,8 milliards d’années, 1 400 milliards de cycles jour/nuit se sont succédés. La période de rotation de la Terre autour de l’axe du Soleil, c’est-à-dire la durée d’une année terrestre, est de 365,25 jours et l’inclinaison de l’axe terrestre par rapport à ce plan de rotation est de 23,5°. Toutes deux sont à l’origine du cycle des saisons. Ainsi, la zone terrestre qui reçoit les rayons de lumière du soleil avec un angle perpendiculaire est fonction de la position de la Terre par rapport au Soleil. Or, plus les photons qui composent les rayons de lumière arrivent proches d’un angle perpendiculaire, plus l’énergie délivrée est importante et plus il fait chaud. Voila pourquoi on distingue un été et un hiver, ainsi que des intersaisons, printemps et automne. Et tout au long de l’année, la durée du jour au cours d’une journée de 24h varie. L’inclinaison de l’axe terrestre par rapport au plan de rotation de la Terre autour du soleil est, là aussi, à l’origine de cette variation. Ainsi, plus la latitude augmente ou diminue, plus la durée du jour varie. Pour chaque hémisphère terrestre, le jour le plus long est atteint au solstice d’été et le jour le plus court au solstice d’hiver. En conséquence, le changement annuel de la durée du jour est associé au changement annuel des saisons et ce, quelle que soit la zone géographique considérée, sauf à l’équateur, et quelle que soit la date (Figure 1).

2. Le cycle lunaire et les organismes vivants

Éclairée par le soleil, la Lune réfléchit sa lumière. La nuit, la Lune est donc visible depuis la Terre et sa lumière illumine l’atmosphère. Le cycle lunaire a une durée de 29 jours pour une rotation complète de la Lune autour de la Terre et 24,8 h pour une rotation complète de la Lune sur son propre axe. Soleil, Terre et Lune changent constamment de positions. En conséquence, la portion de Lune illuminée et visible depuis la Terre change également. L’illumination de notre atmosphère varie fortement : de 0,0001 lux lors de la nouvelle lune à 1 lux lors de la pleine lune. Elle est de 0,1 lux lors d’une demi-lune et de 0,01 lux lors d’un quart de lune.

Encyclopédie environnement - lumière - cycle lunaire — Figure 2. La Lune et l’horloge circalunaire. Le mois lunaire correspond à la rotation complète de la Lune autour de l’axe de la Terre alors que celle-ci tourne autour du soleil (B) : 1 & 9, nouvelle lune (nuit 0 & 29^ème nuit) ;2, premier croissant (4^ème nuit) ;3, premier quartier (7^ème nuit) ; 4, lune gibbeuse croissante, 11^ème nuit) ; 5, pleine lune (15^ème nuit) ; 6, lune gibbeuse décroissante (18^ème nuit) ; 7, dernier quartier (22^ème nuit) ; 8, dernier croissant (26^ème nuit). Cette rotation dure 29 jours et synchronise l’horloge circalunaire, laquelle régule les comportements et certaines fonctions physiologiques, dont la fonction reproductive, chez les organismes vivants. Le jour lunaire correspond à la rotation complète de la Lune sur son propre axe. Cette rotation dure 24,8 heures et pourrait participer, de concert avec le cycle jour/nuit de 24 heures, à la synchronisation de l’horloge circadienne. A, Figure modifiée par le Tallec d’après Kronfeld-Schor *et al.* (voir réf. [1]) ; B, © Orion 8 (CC BY-SA 3.0) via Wikicommons.

Ces changements d’intensité lumineuse au cours du cycle lunaire jouent sur les comportements et les rythmes biologiques des organismes vivants. Notamment, le cycle lunaire, en modifiant l’illumination du milieu, augmente le risque de prédation perçu et change les comportements locomoteur et alimentaire. Ainsi, la plupart des petits mammifères nocturnes réduisent leur activité générale les nuits de pleine lune. Au contraire, l’augmentation de l’illumination tend à favoriser les prédateurs au cours de leur recherche alimentaire. Les rythmes biologiques aussi sont modifiés. Chez certaines espèces, le cycle lunaire synchronise les périodes de reproduction entre individus. C’est le cas chez les amphibiens et les coraux. Ces comportements et ces rythmes seraient entrainés et synchronisés par une horloge circalunaire au rythme de 29 jours. Cependant, les études manquent et les mécanismes et photorécepteurs impliqués n’ont pas encore été identifiés (Figure 2).

Références et notes

[1] Kronfeld-Schor N, Dominoni D, De Iglesia H, Levy O, Herzog ED, Dayan T & Helfrich-Forster C (2013) Chronobiology by moonlight. Proceedings of the Royal Society: Biological Sciences 280, 1–11.

Lectures complémentaires

Bradshaw WE & Holzapfel CM (2007) Evolution of animal photoperiodism. Annual Review of Ecology, Evolution, & Systematics 38, 1–25.

CEA, Commissariat à l’Énergie Atomique (2009). Le Soleil. CEA éditions.

Koukkari WL & Sothern RB (2006) Introducing biological rhythms. New-York, Springer Verlag.