Date de mise à jour: 01/03/10 - Visé par le Comité de Lecture

Nous avons déjà abordé dans plusieurs articles le rôle du champ magnétique terrestre dans l'orientation des oiseaux. En particulier, nous avions cité les résultats d'une expérience menée en 2004 par Cordula Mora et d'autres chercheurs de l'Université d'Auckland en Nouvelle-Zélande démontrant que les pigeons voyageurs pouvaient détecter des anomalies du champ magnétique dans la mandibule supérieure de leur bec (lire Le rôle de l'odorat dans l'orientation de certains oiseaux).
Les conclusions d'un étude menée par des chercheurs allemands publiées en 2010 dans la revue en ligne PLoS ONE confirment l'existence dans la mandibule supérieure de tous les oiseaux (et pas seulement des migrateurs) de dendrites (prolongements du corps cellulaire des neurones) possédant des structures riches en fer qui serviraient de magnétomètres. Les données récoltées par ces récepteurs seraient transmises au cerveau qui élaborerait ensuite une carte magnétique.


Abstract

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The magnetic field sensors enabling birds to extract orientational information from the Earth's magnetic field have remained enigmatic.
Several German researchers (Gerald Falkenberg, Gerta Fleissner et al) had previously published results from homing pigeons have made us suggest that the iron containing sensory dendrites in the inner dermal lining of the upper beak are a candidate structure for such an avian magnetometer system. Here they show in a recent study published in 2010 in the peer-reviewed scientific and medical open-access journal PLoS ONE that similar structures occur in two species of migratory birds (garden warbler, Sylvia borin and European robin, Erithacus rubecula) and a non-migratory bird, the domestic chicken (Gallus gallus).
In all these bird species, histological data have revealed dendrites of similar shape and size, all containing iron minerals within distinct subcellular compartments of nervous terminals of the median branch of the Nervus ophthalmicus.
They also used microscopic X-ray absorption spectroscopy analyses to identify the involved iron minerals to be almost completely Fe III-oxides. Magnetite (Fe II/III) may also occur in these structures, but not as a major Fe constituent. Their data suggest that this complex dendritic system in the beak is a common feature of birds, and that it may form an essential sensory basis for the evolution of at least certain types of magnetic field guided behavior.

Un magnétomètre dans la mandibule supérieure de tous les oiseaux

Le rôle des dendrites

Les migrateurs comme la Fauvette grisette (Sylvia communis) possèdent dans leur bec des dendrites contenant des éléments ferriques Photo: Daniel Peris

Les détecteurs permettant aux oiseaux de détecter le champ magnétique sont longtemps restés énigmatiques.
Une étude précédente de Gerta et Guenther Fleissner, Branko Stahl et Gerald Falkenberg menée sur des pigeons voyageurs publiée en 2007 dans la revue Journal of Ornithology avait démontré que des dendrites (prolongements du corps cellulaire des neurones) présentes dans le derme interne de la mandibule supérieure du bec et contenant des éléments ferriques joueraient le rôle de récepteurs transformant les stimuli magnétiques en excitations du système nerveux périphérique: le vecteur du champ magnétique serait alors perçu par le système nerveux central.

Des analyses histologiques et spectométriques

Situation du" secteur à dendrites" dans le bec d'une fauvette Schéma: Ornithomedia.com d'après Falkenberg et al./ Plosone.org

Il y a plusieurs années, la neurobiologiste Gerta Fleissner de l'université de Francfort (Allamagne) et son mari Günther Fleissner avaient découvert des structures métalliques dans le bec des pigeons voyageurs; en coopération avec le physicien Gerald Falkenberg travaillant au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) d'Hambourg, ils avaient déterminé le rôle essentiel des oxydes de fer dans l'orientation magnétique.
Des études microscopiques histologiques ont été menées sur des becs de Pigeons migrateurs (30), de Rougegorges familiers (6), de Fauvettes des jardins (12) et de Poulets domestiques (10). Une spectrométrie de fluorescence X (en anglais XRF pour X-ray fluorescence), une méthode d'analyse chimique élémentaire utilisant une propriété physique de la matière, la fluorescence de rayons X, a aussi été réalisée sur de petites portions sélectionnées de tissu.

Structure et positionnement des dendrites

Structure et positionnement des dendrites dans le bec d'une Fauvette des jardins Schéma: Ornithomedia.com d'après Falkenberg et al./ Plosone.org

D'une longueur de 20 à 30 µm, les régions terminales de chaque dendrite contiennent de 10 à 15 boules riches en fer d'un diamètre d'environ 1 µm, et une grande vésicule (d'un diamètre d'environ 5 µm) qui semble couverte d'une croûte de fer.
Deux dendrites parallèles sont si proches qu'elles paraissent constituer un assemblage d'environ 20 boules et de deux ou trois vésicules.
Chez les quatre espèces étudiées ces dendrites sont alignées régulièrement dans les faisceaux axoniques (= fibre nerveuse). Elles ne forment pas une chaîne dense mais sont séparées par un espace représentant environ deux fois leur longueur.
Il en existerait envion 500 par bec.

Le rôle des dendrites

Les éléments ferriques contenus dans les dendrites pourraient servir de magnétomètres permettant de mesurer la direction et l'intensité du champ magnétique terrestre.
Les éléments ferriques des dendrites amplifieraient localement le champ magnétique terrestre créant ainsi un potentiel de récepteur.
Très probablement, chacune des 500 dendrites encoderait seulement une direction du champ magnétique. Ces données seraient ensuite traitées par le cerveau de l'oiseau et recomposées pour constituer une carte magnétique.
L'utilisation de cette carte dépend de l'espèce et de ses besoins: les migrateurs par exemple n'utilisent l'orientation magnétique que lors de leurs trajets migratoires.

Un compas et un magnétomètre

Grâce à une coopération avec l'équipe du professeur Wolfgang Wiltschko, qui avait découvert le principe de l''orientation magnétique chez les oiseaux, on a pu confirmer que les oiseaux avaient aussi un compas magnétique dans l'oeil (lire Le rôle du géomagnétisme dans l'orientation des oiseaux).

Des structures présentes chez tous les oiseaux

Les chercheurs ont ainsi montré que ces dendrites étaient présentes dans la branche médiane du nerf ophtalmique non seulement chez deux espèces migratrices comme la Fauvette des jardins et le Rougegrorge familier, mais aussi chez un oiseau totalement sédentaire comme le Poulet domestique.
La spectroscopie microscopique d'absorption à rayons x a permis d'identifier la nature des minéraux de fer: il s'agit presque exclusivement d'oxydes de fer III (hématite). La magnétite serait aussi présente mais en quantité moindre.
Tous les oiseaux n'utilisent pas forcément la carte magnétique élaborée par leur système nerveux central: tout dépend de leurs besoins en orientation.

Une bonne base

Günther Fleissner affirme que "ces résultats démontent clairement le vieux mythe d'une magnéto-réception basée sur des éléments ferriques distribués un peu partout au hasard dans l'organisme, dans le sang, le cerveau ou le crâne . Ils décrivent au contraire de façon clair les magnétorecepteurs".
Cette étude pourrait servir de base pour mener de plus amples projets expérimentaux pour comprendre les étapes inconnues entre la perception du champ magnétique et son usage comme signal de navigation.

Sources

- Falkenberg G, Fleissner G, Schuchardt K, Kuehbacher M, Thalau P, et al. (2010). Avian Magnetoreception: Elaborate Iron Mineral Containing Dendrites in the Upper Beak Seem to Be a Common Feature of Birds. PLoS ONE 5(2): e9231. www.plosone.org/article/info:doi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0009231
- Sciencedaily (2010). Natural 'Magnetometer' in Upper Beak of Birds? Date de mise à jour: 23/02. www.sciencedaily.com/releases/2010/02/100223101419.htm

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