Le nez distingue mille milliards d'odeurs ?

Pourtant j’ai lu dans un ouvrage sérieux qu’on distingue dix mille odeurs ?

On répète souvent que le nez humain est capable de distinguer 10’000 odeurs. La recherche correspondante date de 1927, et une étude récente tente de vérifier ce chiffre et estime par extrapolation statistique  à 10¹² (mille milliards) le nombre d’odeurs qu’on peut distinguer.

Fig 1: Une odeur est un mélange de composantes : combien d’odeurs peut-on distinguer source (© Dennis Wong, Flickr, cc by 2.0)

Bushdid, C. et al. ont recherché d’où vient ce chiffre de dix mille : une étude de 1927 (Crocker,  E. C., et al.), a mesuré sur une échelle de 9 degrés quatres sensations olfactives élémentaires ce qui fait  9⁴ soit 6561 possibilités. ce chiffre aurait ensuite été arrondi à 10’000. Alors que ce chiffre était destiné à mesurer combien d’odeurs un humain peut discerner, il a été employé comme mesure du nombre de molécules odorantes existant, ou le nombre de molécules que l’humain pourrait détecter.

Il y a

1. le phénomène (on ne le connait pas pleinement)
2. le modèle qu’on s’en fait. Il y en a plusieurs en fait et celui des experts est plus complexe que celui enseigné en classe (un modèle simple : des molécules interagissent avec des récepteurs dans la muqueuse nasale et modulent des influx nerveux, qui sont traités dans différents centres de l’encéphale)
3. la perception humaine (l’odeur délicieuse de l’orchis vanillé par exemple)

Ensuite il y a des mesures qui sont forcément liées au modèle qu’on s’en fait.

Cette confusion entre le phénomène, le modèle qui le décrit et la perception par nos sens est un problème classique en éducation aux science.
La lumière (phénomène), sa modélisation par un trait d’épaisseur infinitésimale et sa vision (perception humaine) sont parfois confondus.
Bien des écoles continuent à se référer à la carte des 4 goûts sur la langue – basé sur un article de 1901 (Hänig, D.P.),- comme  s’il il y avait quatre goûts détectés de manière distincte dans des zones de la langue aussi distinctes que les pays.  ( cf. Bio-Tremplins du 10 octobre 2012 : La carte des goûts selon ses goûts… )

Fig 2: Toutes les carte des goûts viennent de cette image semble-t-il  source (Hänig, D.P., 1901)

Cette simplification des résultats au point qu’ils perdent parfois tout ce qui les rend scientifiques est un effet classique de la transposition – et de la vulgarisation.  Chercher à savoir si un chiffre est juste ou faux n’est pas comprendre ce qu’est la science. Chercher à comprendre comment il a été établi permet d’une juger la pertinence à certaines questions, les limites de validité, etc.

Comment a été mesuré ce chiffre ?

9⁴ est donc une mesure du phénomène perception qui repose sur le modèle selon lequel il y aurait 4 odeurs élémentaires et qu’on puisse distinguer 9 degrés pour chacune. Le chiffre obtenu a du sens dans ce modèle. La portée de ce modèle est discutable. Probablement satisfaisant comme première approximation – si on n’oublie pas que c’en est une. Et comme tout modèle il est hypothétique, et donc remis en question avec de nouvelles données.
Justement  Bushdid, et al (2014) ont développé un autre modèle qui conduit à une autre estimation :

Ils indiquent en préambule que les stimuli olfactifs naturels sont presque toujours un mélange d’un grand nombre de composants dans  des proportions variées. L’odeur typique de la rose par exemple est produite par un mélange de 275 composants, mais en général seul un petit pourcentage des ces substances contribue à l’odeur perçue. Il n’est pas réaliste de tester toutes les molécules possibles sur un panel de personnes. Ils ont donc établi un modèles simplifié qui produit un éventail d’odeur différentes en mélangeant des substances odorantes à partir d’une collection standardisée de 128 odeurs. Les mélanges à présenter aux sujets pour voir s’ils les distinguent sont composés avec le même nombre (soit 10, 20 ou 30) de substances mais en proportions différentes établies au hasard.
Pour mesurer si on peut discriminer des mélanges, ils préparent 2 échantillons identiques et un troisième différent, puis demandent aux sujets de reconnaitre lesquels deux sont identiques. Ils  observent le taux d’identification correcte en fonction du pourcentage de similitude de composition entre les échantillons.
Ainsi des mélanges très similaires (90% mixture overlap) seront difficiles à discriminer alors que des mélanges très différents (10% mixture overlap) seront distingués par la plupart des gens.  (Cf. fig 3 )
Ils considèrent que la résolution du système olfactif est le pourcentage moyen de différence entre deux mélanges nécessaire pour qu’ils soient discriminés par un nez humain moyen.

Fig 3: En mélangeant 10, 20 ou 30 molécules et en  mesurant la capacité à les discriminer  selon leur degré de similitude, ils établissent le pourcentage  de différence entre deux mélanges nécessaire pour qu’ils soient discriminés.   source Bushdid, et al. (2014)

La plupart des gens arrivent à distinguer deux mélanges de 30 substances différant par la moitié des composants.

Leurs résultats indiquent que la plupart des gens sont capables de distinguer des mélanges différant de plus de la moité ( 51.17%) des composants de la collection standard. Et les mélanges différant de plus de 57.43%  sont discernables par la plupart des gens.  je renvoie le lecteur à l’article d’origine pour cette nuance ( Bushdid, C., et al (2014) doi:10.1126/science.1249168) (Les membres Expériment@l peuvent obtenir cet article)

Fig 4: En mélangeant 10, 20 ou 30 molécules et en  mesurant la capacité à les discriminer  selon leur degré de similitude, ils établissent le pourcentage  de différence entre deux mélanges nécessaire pour qu’ils soient discriminés.   source Bushdid, et al. (2014)l

Sur la base de ces chiffres ils ont calculé le nombre d’odeurs discriminables à ces seuils proches de 50%. (cf fig. 4) : par exemple 1.72 × 10¹² mixtures de 30 odeurs peuvent être distinguées !  C’est de là que vient le chiffre de mille milliards apparemment.
Je ne suis pas sûr de les maîtriser pleinement aussi pour les calculs et les méthodes («  Mathematically, this presents a coding problem that can be formulated in information theory as a problem of packing spheres in multidimensional space« ) je renvoie le lecteur à l’article d’origine ( Bushdid, C., et al (2014) doi:10.1126/science.1249168) (Les membres Expériment@l peuvent obtenir cet article)

Bushdid, et al. (2014) se font plaisir de noter que si ce chiffre parait impressionnant, il y a quand même 8.95 × 10¹⁶ autres mixtures qui ne peuvent pas être distinguées !

Ils notent aussi de grandes différences entre les individus : le meilleur de leurs sujets distingue 1.03 × 10²⁸ mixtures de 30 composantes alors qu’un autre seulement 7.84 × 10⁷.  ( Cf matériel supplémentaire) (Les membres Expériment@l peuvent obtenir cet article)
Il serait intéressant de voir si (peut-être) c’est un fumeur… on sait l’effet de la cigarette sur l’odorat !

Ils mentionnent aussi des chiffres qui pourraient intéresser ceux qui préfèrent donner des chiffres authentiques à leurs élèves : les  humains distingueraient entre  2.3 et 7.5 millions de couleurs et ~340,000 tons différents (Stevens, S. S.  et al. 1938) Extraits ici .

Une recherche bien étayée réduite à un chiffre pour Trivial Pursuit ?

Est-ce que cette expérience biologique et magnifique élaboration mathématique sera résumée à un chiffre digne du Trivial Pursuit ou apprise par coeur … au vu de la transposition didactique je le crains.
On voit que les savoirs que la recherche produit sont transformés pour les rendre compatibles avec l’enseignement.  Notamment disparition des nuances et des conditions de mesure, la manière dont les résultats ont été établis se perdra, la discussion du degré de certitude et de la portée sera  évacuée, pour ne retenir qu’une conclusion simple affirmative, et présentée de manière à frapper les esprits. La vulgarisation suit des cheminements similaires et ce point avait été discuté dans une publication  Bio-Tremplins en septembre 2010 : La percolation des découvertes scientifiques dans la presse.

Expériment@l vous offre la possibilité de vous construire une connaissance scientifiquement étayée. Et peut-être de répondre à un élève qui demanderait  » Mais comment on le sait ça ?  »
Un élève impertinent peut-être, mais qui fait preuve d’esprit scientifique il me semble …

Sources  :

• Bushdid, C., Magnasco, M. O., Vosshall, L. B., & Keller, A. (2014). Humans Can Discriminate More than 1 Trillion Olfactory Stimuli. Science, 343(6177), 1370‑1372. doi:10.1126/science.1249168
• Chevallard, Y. (1991). La transposition didactique. Du savoir savant au savoir enseigné (2e éd. revue et augmentée, 1985 lre ed.). Grenoble: La Pensée sauvage.
• Crocker,  E. C., Henderson, L. F., (1927). Analysis and classification of odors: An effort to develop a workable method. Am. Perfum. Essent. Oil Rev. 22, 325
• Hänig, D.P., 1901. Zur Psychophysik des Geschmackssinnes. Philosophische Studien, 17: 576-623.
• S. S. Stevens, H. Davis, Hearing, Its Psychology and Physiology (Wiley, New York, 1938), pp. 152–154. ici

Et en français ?

• Chaput, Janlou (2014).Odorat : notre nez peut distinguer au moins mille milliards d’odeurs.. Futura-Sciences. Consulté 23 mai 2014, à l’adresse http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/biologie-odorat-notre-nez-peut-distinguer-moins-mille-milliards-odeurs-52974/

La plateforme Expériment@l vous offre l’accès a ces articles (enfin… la plupart, pas ceux de 1901 et 1927)  Comment  Obtenir un article mentionné : Get-a-doi