Pourquoi la nuit, les lampes perturbent le vol des insectes.

Publié le 30 juin 2023 par Francois.Lombard@unige.ch

Les papillons de nuit sont-ils vraiment attirés par la lumière, la prennent-ils pour la lune, s’échappent-ils vers la lumière ?

Quand j’étais gamin on me disait que papillons de nuit qu’on voyait s’écraser sur les lampes ou se brûler dans la flamme des bougies étaient attirés vers la lumière des bougies et des lampes. Cette explication me laissait sur ma faim, mais j’écoutais les adultes avec respect.

Plus tard un prof de physique m’a expliqué qu’ils tournaient autour des lampes la nuit parce qu’ils la prenait pour le soleil, et comme la lampe était bien plus près que le soleil cela les ferait tourner en spirale vers la lampe où ils se brûlaient parfois; il m’a présenté un schéma avec un angle de 90° entre la trajectoire de l’insecte et le soleil, et un autre avec cet angle et la lampe. J’avais trouvé cette explication difficile à comprendre, car ni les angles de vol de l’insecte, ni la trajectoire (apparente) du soleil ne me paraissaient constants. Et cela n’expliquait pas pourquoi l’insecte est si systématiquement conduit contre la lampe. Si une erreur  d’angle un peu inférieure à 90° pourrait en effet produire une trajectoire en spirale (spirale logarithmique) conduisant vers la lampe, comment se fait-il qu’on voie apparemment tous ces papillons aller se brûler contre la lampe ? Si l’erreur est dans l’autre sens, ou oblique, … ?

C’est une question régulièrement traitée  dans la vulgarisation scientifique. Cf. par exemple : National Geographic, Futura-Sciences, Planete Animal

Une série d’expériences très rigoureuses et complètes par Fabian, et al. (2023) ici apporte de nouvelles réponses très approfondies en labo et sur le terrain. Ils ont monté de minuscules capteurs de mouvement sur des papillons, des libellules et des papillons de nuit, puis ont enregistré des images très rapides des insectes dans une pièce sombre éclairée par une lampe verticale. Au ralenti ces images et les enregistrements des capteurs de mouvement ont mis en évidence parmi ces trajectoires apparemmet erratiques trois types de trajectoires de vol qui se répétaient avec une lampe dans la nuit:

  1. vol circulaire « orbite »  relativement stable autour de la lumière (Fig. 1 a)
  2. décrochage : une montée abrupte alors que l’insecte se détournait de la source de lumière perdant de la vitesse jusqu’à ce que l’insecte cesse de voler et tombe (Fig. 1 b),
  3. L’inversion (soit par roulis, soit par tangage) de l’attitude de vol de l’insecte, suivie d’une plongée abrupte vers le sol.(Fig. 1 c)

Leur résultats détaillés on permis de tester les hypothèses classiques :

Avec des insectes dans le cas 1, en permutant l’éclairage de deux lumières ils ont observé que les insectes se mettaient à tourner tantôt dans le même sens tantôt dans le sens inverse. Cela réfute l’hypothèse celestial compass la boussole céleste selon lesquelles les insectes confondent les lampes avec la lune qui leur servirait de repère (ils devraient tourner dans le même sens autour de la nouvelle lumière).

En éclairant un drap blanc par dessous ils ont observé que les insectes volaient normalement alors qu’on les voit tomber en masse sur le même drap éclairé par dessus. Cela réfute une autre hypothèse selon laquelle les insectes naviguent vers la lumière pour « s’échapper » des espaces sombres et clos. Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

Fabian, et al. (2023) montrent qu’une nouveau hypothèse explique mieux cet ensemble de données: les insectes utilisent avec ces lumières artificielles le mécanisme de laa DLR (dorsal light reaction) bien établie chez de nombreux insectes. Ils stabilisent leur vol à chaque coup d’ailes et de turbulence de l’air en gardant leur dos vers la source de lumière (soleil, lune). De nuit, avec des lumières artificielles près du sol, ils ne peuvent alors s’empêcher d’orienter leur dos vers la lumière artificielle, ce qui déstabilise leur vol et les fait chuter, buter contre la lampe, tourner en rond ou sur des orbites chaotiques pour tomber en virevoltant… pour recommencer indéfiniment.

Des expériences rigoureuses apportent de nouvelles réponses

Selon Fabian, et al. (2023) depuis des millénaires les humains, observant des insectes nocturnes voler de manière erratique autour des feux et des lampes ont imaginé des explications; les plus populaires sont : (H1) Les insectes orienteraient leur vol vers la lampe pour s’échapper comme s’ils visaient une ouverture dans le feuillage. (H2) Les insectes utiliseraient la lune comme repère (boussole céleste, Celestial compass) pour naviguer et se fient aux sources de lumière artificielle à la place. (H3) Le rayonnement thermique des sources lumineuses attire les insectes volants. (H4) Les yeux des insectes, adaptés à la nuit sont aveuglés par des lumières artificielles, les faisant voler de façon erratique, s’écraser,ou les conduisant à tourner sans fin dans la zone près de sources lumineuses. Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici sur le serveur de preprint bioRxiv (des publications, qui n’ont pas encore fait l’objet d’un examen par les pairs),

Ces chercheuses et chercheurs ont monté de minuscules capteurs de mouvement sur des papillons, des libellules, etc, puis ont filmé à haute vitesse des insectes dans un espace sombre éclairée par une lampe verticale. Les images au ralenti et les enregistrements des capteurs de mouvement ont mis en évidence les vaines tentatives des insectes pour orienter leur dos vers la lumière, un réflexe qui stabilise normalement leur trajectoire de vol pendant la journée,  réfutent les hypothèses antérieures /H1 à H4) et étayent un nouveau modèle explicatif.

À l’aide de minuscules capteurs, ils explorent pourquoi les lumières artificielles rendent les papillons de nuit et autres insectes incapables de voler normalement.

Selon Fabian et al., (2023), les animaux volants ont besoin d’un moyen fiable pour déterminer leur orientation par rapport au monde extérieur, notamment en référence à la direction de la gravité. Au cours de la longue histoire évolutive du vol des insectes, la partie la plus lumineuse du champ visuel a été le ciel, et c’est donc un indicateur robuste de la direction vers le haut. Cela est vrai même la nuit, en particulier aux courtes longueurs d’onde (UV). La plupart des insectes volants présentent une certaine forme de réponse à la lumière dorsale (DLR), un comportement qui maintient leur côté dorsal (supérieur) dans la région visuelle la plus lumineuse. Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

Résultats

Une source lumineuse ponctuelle artificielle induit un comportement de vol anormal chez les insectes

Après analyse de 413 enregistrements de terrain stéréo-vidéographiques, Fabian, et al. (2023) ont identifié et décrit dans la très grande variabilité de comportements, trois pattern visuellement caractéristiques.
Le comportement orbite était caractérisé par une trajectoire de vol circulaire relativement stable autour de la lumière avec une vitesse soutenue  (Fig. 1 a ). L’insecte semble maintenir une inclinaison stable avec le corps incliné latéralement (tonneau) vers la source lumineuse. L’orbite a été observée fréquemment dans des conditions de vent faible (<1 m/s), les insectes se dispersant en cas de rafale de vent.
Le comportement décrochage était caractérisé par une montée abrupte alors que l’insecte se détournait de la source de lumière (Fig. 1 b), perdant de la vitesse jusqu’à ce que l’insecte cesse de progresser, et chute.
Une inversion de l’attitude de l’insecte (soit par roulis, soit par tangage) qui vole alors « sur le dos », se produit lorsque l’insecte vole directement au-dessus d’une source lumineuse (Fig. 1 c), entraînant une plongée abrupte vers le sol. Une fois sous la lumière, les insectes se redressaient fréquemment, pour grimper au-dessus de la lumière et s’inverser une fois de plus.
Au cours de ces vols, les insectes dirigeaient constamment leur axe dorsal vers la source lumineuse, même si cela empêchait un vol normal et provoquait un crash. D’après Fabian et al., (2023) Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

Insects flying around a light source in the field display 3 common behavioural motifs not seen in normal flight: a Orbiting, b Stalling, and c Inverting. (Above) Diagrammatic representations of the three behavioural motifs. (Below) Overlaid flight trajectories of insects performing these characteristic patterns around UV light sources. Overlaid frames are separated by aesthetically chosen fixed intervals of 52 ms (left), 20 ms (middle), and 24 ms (right) for visualization.

Fig 1: Les insectes volant autour d’une source lumineuse à l’extérieur affichent 3 pattern de comportements non observés en vol normal : a Orbite, b décrochage et c Inversion. En haut : Représentations schématiques des trois pattern.  Bas : Trajectoires de vol superposées d’insectes exécutant ces trajectoires caractéristiques autour de sources de lumière UV. Les images superposées sont séparées par des intervalles fixes choisis esthétiquement de 52 ms (gauche), 20 ms (milieu) et 24 ms (droite) pour la visualisation.. [img]. Source : Fabian, et al. (2023)  ici

Réfutation de l’hypothèse de la lumière-boussole H2 Celestial compass

Si les insectes en orbite autour de sources lumineuses confondaient la lumière avec un repère de boussole tel que la lune, nous nous attendrions à ce que si l’on éteint la lampe et en allume une autre, ils maintiennent toujours cette orbite dans le même sens mais autour  de la nouvelle lampe (Fig. 2 b schéma du bas). Si ils sont guidés par DLR, ils se mettraient à  tourneraient tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre (Fig. 2 b schéma du milieu).
Lorsque Les chercheurs ont permuté l’éclairage entre deux lampes (fig 2a) sous lesquelles l’insecte N. pronuba, volait en orbite, ils changeaient fréquemment leur sens de rotation au changement (Fig. 2 c) .

If insects orbiting light sources were confusing the light with a compass cue such as the moon, we would expect them to maintain an orbit only in one direction. We switched between two lights when N. pronuba were orbiting beneath to test whether they would maintain the direction of their orbit on a new light. a, A diagram of the light switching set-up. b, Illustrations of the alternative path outcomes from light switching, given an initial insect travelling in an anti-clockwise direction. Orbiting moths readily switched their orbiting when the lights were changed. c, Image overlays (every 20 ms) of the light switching viewed from below, with insects false-coloured corresponding to the light concurrently lit. Arrows indicate direction of travel.

Fig 2: a, Un diagramme de la configuration de la commutation de la lumière. Si les insectes confondaient la lumière avec un repère de boussole tel que la lune, nous nous attendrions à ce qu’ils continuent à tourner  dans le mème sens lorsque l’autre lampe s’allume (gauche  schéma a en bas « compass direction »). Or lorsque les chercheurs  basculé entre deux lampes  N. pronuba tournait en dessous pour tester s’ils maintiendraient la direction de leur orbite sur un nouveau feu. En b, Illustrations des résultats de chemin alternatifs de la commutation de la lumière. Les papillons de nuit en orbite changeaient souvent leur sens de rotation lorsque les lumières étaient permutées. c, Superpositions d’images (toutes les 20 ms) de la commutation de lumière vue de dessous, avec des insectes en fausses couleurs correspondant à la lumière allumée. Les flèches indiquent le sens de déplacement [img]. Source : Fabian, et al. (2023)  ici

Les chercheurs ont aussi noté que ces comportement erratiques sont aussi produits par des LED blanches qui n’émettent presque pas d’infra-rouge – pour tester si vraiment le rayonnement thermique des sources lumineuses attire les insectes volants. (H4)

Une lumière artificielle semblable au ciel rétablit le vol normal H1, H3

Pour tester l’hypothèse H2 (les insectes s’échapperaient vers le haut en prenant la lumière comme indice), les chercheurs ont utilisé, puis inversé une méthode classique pour piéger les insectes dans la nature, consistant à éclairer d’une lumière vive une surface blanche au sol (fig 3a). Dans le terrain, Fabian, et al. (2023) ont filmé le comportement des insectes avec une source de lumière UV tournée vers le bas éclairant un tissu blanc étalé sur le sol. Ils ont effectivement observé de nombreux insectes se renversant et culbutant dans les airs avant de s’écraser sur le sol (Fig. 3 a). Mais lorsqu’ils ont utilisé la même ampoule pour éclairer vers le haut le même tissus blanc tendu au-dessus, cela a créé un couloir dans lequel la lumière se reflétait vers le bas comme une lueur diffuse semblable au ciel. Dans cette disposition, les insectes ne volaient pas vers vers la lampe, ou ne se regroupaient pas autour de la lampe (H1), mais suivaient des trajectoires diverses et plus normales sous la lumière à travers le couloir lumineux (Fig. 3 b). Cela soutient pour Fabian et al. plutôt l’idée que le comportement d’écrasement au sol est une conséquence d’un décalage entre la perception du « haut » (par DLR) des insectes et la véritable direction de la gravité (Fig. 3 c).

The effect of reflected light was strongly dependent on whether it came from below or above the insect. a, Example trajectories of insects attempting to fly above a white sheet illuminated by a downward facing UV light tube. b, Example trajectories of insects flying under a white sheet illuminated by an upward facing UV light tube. c, A diagrammatic representation of the hypothesised behavioural effect of 'light trapping' (left) vs. flight under a diffuse canopy (right). The strong effect of light directionality was also present in Honeybees and Diptera, both being unable to sustain flight when UV light came from below. d, Example trajectories of Honeybees (every 30 ms), mixed wild Diptera (every 10 ms) flight with UV light provided above or below.
Fig 3: L’effet de la lumière réfléchie dépendait fortement du fait qu’elle provenait du dessous ou du dessus de l’insecte. a, Exemple de trajectoires d’insectes tentant de voler au-dessus d’une feuille blanche éclairée par un tube de lumière UV orienté vers le bas. b, Exemples de trajectoires d’insectes volant sous un drap blanc éclairé par un tube de lumière UV orienté vers le haut. c, Une représentation schématique de l’effet comportemental hypothétique du « piégeage de la lumière » (à gauche) par rapport au vol sous un couvert diffus (à droite). Le fort effet de la directionnalité de la lumière était également présent chez les abeilles et les diptères, tous deux incapables de maintenir leur vol lorsque la lumière UV venait d’en bas. d, Exemple de trajectoires d’abeilles (toutes les 30 ms), vol de diptères sauvages mixtes (toutes les 10 ms) avec lumière UV fournie au-dessus ou au-dessous.  [img]. Source : Fabian, et al. (2023)  ici
Les chercheurs ont aussi noté que ces comportement erratiques sont produits par des LED blanches qui n’émettent presque pas d’infra-rouge pour vérifier  si le rayonnement thermique des sources lumineuses attire les insectes volants (H4).

Et des insectes plus petits ?

Pour tester si des insectes plus petits seraient plus résistants à ces perturbations, Fabian, et al. (2023) ont capturé des abeilles sauvages (Apis mellifera) et divers diptères (des genres Lucilia, Dolichopus, Coenosia, et d’autres Anthomyiidae et Muscidae). Avec une lumière UV diffuse provenant du dessus, les abeilles et les diptères ont volé vers le plafond de l’enceinte d’une manière rapide mais systématique, ressemblant à un vol d’évasion normal. Cependant, avec la lumière UV par le bas, ni les abeilles ni les mouches n’ont pu maintenir leur vol, s’inclinant et s’inversant peu après le décollage pour s’écraser sur le sol (cf. fig. 3 d). Ces résultats suggèrent aussi que ces insectes dépendent fortement de la direction de la lumière pour orienter leur vol  vers le haut, et que des organes sensoriels spécifiques tels que les haltères des diptères ne compensent pas une estimation inexacte de la verticalité. Toutes les mouches ont également été testées avec des ampoules LED blanc froid au-dessus et en dessous de leur enceinte. Aucune mouche n’a présenté le comportement de basculement ou de percuter la source blanche, ce qui suggère que l’effet est spécifique aux courtes longueurs d’onde de la lumière chez les diptères testés. Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine : Fabian, et al. (2023)  ici

Curieusement,  parmi les insectes que les chercheurs ont testé, seules les mouches du vinaigre (Drosophila spp.) et les sphinx du laurier-rose (Daphnis nerii) ont volé sans problème au-dessus de la lumière ultraviolette orientée vers le haut, alors que l’éclairage artificiel dans le terrain piège facilement Oleander et D’autres sphinx. cf Figure suppl ici

Réfutation des autres hypothèses et conclusion :

Forts de tous ces résultats, Fabian, et al. (2023) concluent en réfutant les autres hypothèses et montrent que le modèle DLR explique mieux toutes ces données.
 » Nous pouvons maintenant évaluer les modèles précédemment suggérés avec nos résultats expérimentaux. (H1) Les insectes ne semblent pas attirés par la lumière comme par une réaction de fuite. Dans les conditions de terrain et de laboratoire, les insectes se dirigent rarement directement vers la source lumineuse, mais volent toujours orthogonalement à celle-ci. Cela réfute la prémisse fondamentale d’une réponse d’évasion. (H2) La confusion d’une boussole céleste par la lumière ne correspond pas non plus à nos résultats. Un insecte doit garder une source de lumière à un emplacement visuel fixe pour maintenir son cap. La commutation des lumières  (Cf. Fig. 2) montre que les insectes tournent fréquemment avec la source lumineuse de chaque côté du corps. Nous n’observons pas non plus de spirales logarithmiques vers le centre de la source lumineuse, une prédiction clé du piégeage de la boussole céleste. Un repère de boussole céleste corrompu ne peut pas non plus expliquer pourquoi les insectes s’arrêtent ou s’inversent lorsqu’ils survolent des sources lumineuses. (H3) Le rayonnement thermique en tant que composant attractif est réfuté par l’effet de l’éclairage LED, qui fournit un rayonnement infrarouge négligeable tout en emprisonnant un grand nombre de insectes. (H4) Enfin, les motifs prévisibles de trajectoire de vol centrés sur la lumière que nous avons obtenus plaident contre l’aveuglement des insectes par la lumière.

La conclusion prudente

En fin de compte, nous considérons la réponse à la lumière dorsale DLR comme l’explication la plus parcimonieuse du piégeage de la lumière par les insectes. Il s’agit d’un mécanisme sensoriel basique, expliquant ainsi la forte prévalence de l’attraction lumineuse chez un large éventail d’insectes diurnes et nocturnes. »  Traduction de  Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici
Dans les implications pour la société, les chercheurs notent que l’utilisation de sources lumineuses orientées vers le bas peut atténuer la confusion des insectes, une solution qui aide également à prévenir la pollution lumineuse. Ils recommandent la réduction des lumières vives non diffuses et orientées vers le haut pour réduire l’impact sur les insectes volants la nuit.
On appréciera la conclusion prudente des auteurs, qui contrastera probablement avec la vulgarisation où cette conclusion risque bien d’être présentée comme définitive (« on a prouvé que … « , « non les papillons ne sont pas attirés par  » …).

On appréciera aussi la construction rigoureuse de l’argument scientifique – les méthodes pour obtenir ces résultats sont présentées et permettent de juger de la portée , la réfutation des explications alternatives envisageable , et la discussion  prudente d’un modèle qui explique mieux les données disponibles.

Un savoir n’est pas scientifique par sa simple affirmation avec autorité et assurance.
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