Comment les animaux trouvent leur chemin à travers le monde

À l'hiver 1976, le biologiste Lincoln Brower grimpa dans les forêts de sapins oyamel de la ceinture transvolcanique du centre du Mexique, le cou tendu vers des branches qui ployaient sous le poids de l'orange. Les arbres étaient drapés de papillons monarques, des millions d'entre eux agglutinés si densément que les rameaux s'affaissaient. Brower n'était pas là pour le spectacle. Il cherchait de minuscules étiquettes adhésives, pas plus grosses qu'un confetti, que lui et ses collègues avaient apposées sur les ailes de monarques en Ontario au mois de septembre précédent. En trouver ne serait-ce qu'une seule prouverait quelque chose de presque incroyable : qu'un insecte mince comme du papier avait volé sur plus de cinq mille kilomètres, depuis le bord d'une route canadienne jusqu'à un ensemble précis de montagnes qu'il n'avait jamais vues, guidé par rien qu'il aurait pu apprendre.

Les étiquettes refirent surface. Le voyage était réel. Et la question plus profonde qu'il soulevait est l'une des plus saisissantes de toute la biologie. Comment un animal traverse-t-il continents et océans, souvent seul, souvent pour la première et l'unique fois de sa vie, et arrive-t-il exactement au bon endroit ?

Ce qu'est la migration et pourquoi elle est rentable

Avant de pouvoir parler de la manière dont les animaux s'orientent, il est utile de préciser ce qu'ils font. La migration est un déplacement saisonnier sur de longues distances entre des habitats distincts, motivé par des variations prévisibles des ressources, des exigences de reproduction ou du climat. Le mot recouvre un éventail énorme de comportements, mais la logique est toujours la même. Une portion du monde riche en nourriture ou sûre pour élever des petits à un moment de l'année devient pauvre ou dangereuse à un autre, tandis qu'au loin la situation inverse est vraie. Un animal capable de se déplacer entre les deux récolte le meilleur des deux mondes.

Le hic, c'est que s'y rendre coûte cher. Le coût énergétique de la migration est énorme, épuisant des réserves de graisse accumulées pendant des mois, exposant le voyageur aux tempêtes, aux prédateurs et à l'épuisement en chemin. La migration persiste, chez les insectes comme chez les oiseaux, les poissons et les mammifères, parce que le bénéfice reproductif est plus grand encore. Un animal qui survit au voyage laisse plus de descendants que celui qui reste sur place et meurt de faim, ou qui se reproduit dans un habitat surpeuplé et appauvri. La sélection naturelle fait les comptes, et au fil du temps évolutif les livres s'équilibrent en faveur des voyageurs.

Un squelette conçu pour franchir les distances

Pour les animaux qui migrent en volant, le voyage commence non par une boussole mais par une charpente. Le vol migratoire soutenu dépend d'un squelette pensé pour la contradiction au cœur du vol, à savoir la nécessité d'être à la fois solide et léger. Les oiseaux la résolvent par plusieurs astuces à la fois. Beaucoup de leurs os sont pneumatisés, partiellement creux et même reliés aux sacs aériens de l'appareil respiratoire, ce qui élimine du poids sans renoncer à la solidité. Les squelettes du bassin et de l'aile sont fusionnés en unités rigides, verrouillant la surface portante en une plateforme stable qui ne fléchit ni ne gaspille d'énergie sous la charge.

L'ingéniosité descend jusqu'à la structure même du tissu osseux. L'os se présente sous deux agencements. L'os cortical est la couche externe dense et compacte qui résiste à la flexion et encaisse l'essentiel des contraintes mécaniques, tandis que l'os trabéculaire est la matière spongieuse en treillis qui se trouve à l'intérieur, un réseau de minuscules entretoises qui répartit la force dans tout le volume interne. Réunis, les deux offrent un maximum de solidité pour un minimum de masse, le même principe que l'ingénieur emploie pour construire un pont qui doit supporter un poids énorme sans s'effondrer sous le sien propre. L'oiseau migrateur porte un squelette qui est, en fait, une poutre volante.

Les voyageurs et les distances qu'ils parcourent

Les migrations emblématiques s'étendent sur tous les habitats de la Terre et touchent tous les grands groupes d'animaux. La boucle multigénérationnelle du papillon monarque couvre plus de cinq mille kilomètres. La sterne arctique, un oiseau de mer à peine de la taille d'un pigeon, vole quelque chose de proche de quarante mille kilomètres en une seule année, poursuivant l'été d'un pôle à l'autre et retour, si bien qu'elle voit plus de lumière du jour que n'importe quelle autre créature vivante. Les baleines à bosse nagent environ seize mille kilomètres entre les eaux froides et productives où elles se nourrissent et les hauts-fonds tropicaux chauds où elles se reproduisent et mettent bas. Dans les plaines de l'Afrique de l'Est, plus d'un million de gnous arpentent un circuit d'environ mille huit cents kilomètres autour du Serengeti, suivant les pluies et l'herbe. Et les saumons du Pacifique accomplissent peut-être l'exploit le plus précis de tous, revenant de l'immense anonymat de l'océan ouvert jusqu'au ruisseau d'eau douce exact où ils ont éclos.

Ce qui unit ces voyages n'est pas leur distance, qui varie énormément, mais la précision avec laquelle ils sont visés. Aucun de ces animaux n'erre au hasard. Chacun se dirige vers un endroit précis, et le reste de l'histoire porte sur les instruments qui les y conduisent.

Lire le soleil et les étoiles

Le premier indice de navigation à être décodé dans une expérience contrôlée fut le plus évident du ciel. En 1949, Gustav Kramer, qui travaillait à l'Institut Max-Planck de Wilhelmshaven, montra que des étourneaux en cage, agités par l'envie de migrer, orientaient leur tentative de départ vers une direction constante, et que cette direction suivait le soleil. Lorsqu'il utilisa des miroirs pour déplacer la position apparente du soleil, les oiseaux décalèrent docilement leur orientation du même angle. Plus remarquable encore, Kramer démontra que les oiseaux corrigeaient le déplacement du soleil dans le ciel au fil de la journée. Comme l'azimut du soleil, son relèvement de boussole le long de l'horizon, change continuellement de l'aube au crépuscule, une boussole solaire est inutile sans une horloge pour l'interpréter. Les étourneaux portaient cette horloge, un rythme circadien interne qui leur disait quelle heure il était et donc où se trouvait le sud.

Mais beaucoup d'oiseaux chanteurs migrent la nuit, quand le soleil a disparu, et il s'est avéré qu'ils lisaient un autre ciel. En 1967, Stephen Emlen amena des passerins indigo captifs dans un planétarium de l'université Cornell et les laissa observer un ciel nocturne artificiel. Les oiseaux s'y orientèrent. Lorsque Emlen fit pivoter les étoiles projetées de sorte que le ciel artificiel tourne autour d'un faux pôle céleste, les passerins décalèrent leur orientation pour s'y conformer. Ils ne mémorisaient pas tant des constellations individuelles qu'ils ne lisaient la géométrie des cieux, le point fixe autour duquel le ciel entier semble pivoter. Dans l'hémisphère nord, ce point se situe près de l'étoile Polaire, et les étoiles les plus proches de lui bougent le moins, marquant le nord vrai aussi sûrement pour un passerin que pour un marin.

Une boussole intérieure pour le champ magnétique terrestre

Un ciel dégagé est un luxe, et les animaux qui migrent sur de nombreuses nuits et à travers le mauvais temps ne peuvent dépendre du soleil ou des étoiles seuls. Ils portent un recours qui fonctionne dans l'obscurité et à travers les nuages, un sens du champ magnétique terrestre. La démonstration définitive vint de Wolfgang et Roswitha Wiltschko, qui commencèrent à documenter la magnétoréception chez le rougegorge familier (Erithacus rubecula) à l'université de Francfort en 1972. Ils placèrent des rougegorges en proie au Zugunruhe, l'agitation migratoire qui saisit les oiseaux en cage à la saison où ils voyageraient normalement, puis modifièrent le champ magnétique autour de la cage à l'aide de bobines. Les oiseaux se réorientaient au rythme du champ, de façon prévisible et reproductible, ce qui ne pouvait signifier qu'une chose : ils possédaient une boussole magnétique intérieure.

Le fonctionnement de cette boussole s'est révélé bien plus difficile à cerner que le fait de son existence, et l'explication dominante s'aventure sur un terrain que la plupart des gens n'attendraient pas de la biologie. Henrik Mouritsen et ses collaborateurs à l'université d'Oldenbourg, s'appuyant directement sur les découvertes des Wiltschko, ont soutenu que le sens magnétique loge dans l'œil de l'oiseau, médié par une protéine sensible à la lumière appelée cryptochrome-4 dans les photorécepteurs de la rétine. Le mécanisme proposé est véritablement étrange. Lorsque la lumière bleue frappe la molécule de cryptochrome, elle scinde une paire d'électrons en ce que les chimistes appellent une paire de radicaux, deux électrons non appariés dont les états de spin quantique sont subtilement infléchis par le faible champ magnétique terrestre. La chimie qui s'ensuit dépend de ces états de spin, et ainsi, dit l'argument, l'oiseau pourrait littéralement voir le champ magnétique comme un motif posé sur sa vision. C'est l'un des rares endroits où la physique de l'infiniment petit, le domaine de la mécanique quantique, semble affleurer dans la vie quotidienne d'un animal à sang chaud, et cela reste un domaine de recherche actif et non entièrement tranché.

Des saumons qui rentrent au flair

Tout navigateur ne fonctionne pas à la boussole. Le retour au pays du saumon du Pacifique repose sur un sens que nous associons rarement aux longs voyages, le sens de l'odorat. Un saumon éclos dans un ruisseau de montagne particulier passe des années à parcourir l'océan ouvert, parfois à des milliers de kilomètres de son point de départ, puis revient non seulement au bon réseau hydrographique mais à l'affluent même de sa naissance. Arthur Hasler, à l'université du Wisconsin dans les années 1950, en comprit le mécanisme. Chaque ruisseau porte une chimie dissoute distinctive, un mélange de minéraux, de terre et de végétation en décomposition qui donne à l'eau une odeur caractéristique. Tout jeune, le saumon s'imprègne de cette odeur, la fixant en mémoire durant une brève fenêtre sensible du début de sa vie. Des années plus tard, naviguant les approches côtières par d'autres moyens, il suit son nez en remontant le fleuve qui se ramifie, choisissant à chaque embranchement le chenal qui sent comme la maison. C'est l'empreinte olfactive, et elle convertit le problème abstrait de trouver un ruisseau parmi des milliers en la tâche concrète de reconnaître une odeur mémorisée.

Le détail le plus stupéfiant, et un malentendu tenace

Revenons maintenant au monarque, car son histoire renferme l'énigme la plus profonde. Le monarque de l'Est achève son cycle annuel non en une vie mais sur quatre générations. Trois générations estivales à courte vie se reproduisent dans le nord des États-Unis et au Canada, chaque adulte ne vivant que quelques semaines. Puis, à l'approche de l'automne, émerge une quatrième génération qui est biologiquement différente. Cette super-génération vit huit à neuf mois plutôt que des semaines, diffère sa reproduction, et accomplit l'intégralité du vol de cinq mille kilomètres vers le sud jusqu'aux mêmes forêts mexicaines, hiverne dans ces sapins oyamel, et entame de nouveau le voyage vers le nord au printemps suivant.

Le fait crucial est qu'aucun monarque individuel n'effectue jamais l'aller-retour, et qu'aucun monarque volant vers le sud n'a jamais été au Mexique, ni son parent, ni son grand-parent. Il n'y a aucun aîné à suivre et aucun trajet à apprendre. Cela entre frontalement en collision avec une idée fausse répandue et compréhensible, l'idée que les animaux migrateurs suivent un chef, copient un chemin appris, ou se dirigent vers une balise qui les appelle. La plupart des espèces migratrices ne font rien de tout cela. Le trajet, la durée, la direction et la destination sont inscrits dans un programme de navigation hérité, encodé dans les gènes et exprimé à travers les boussoles mêmes que nous avons décrites. Le monarque ne sait pas où est le Mexique en aucun sens que nous reconnaîtrions comme du savoir. Il fait simplement ce que son corps est conçu pour faire, et cela suffit.

Points essentiels

La migration est un déplacement saisonnier sur de longues distances entre habitats dont le coût énergétique énorme est compensé par un bénéfice reproductif plus grand encore, et elle apparaît dans tout le règne animal, de la boucle multigénérationnelle de cinq mille kilomètres du monarque au circuit de quarante mille kilomètres d'un pôle à l'autre de la sterne arctique, aux seize mille kilomètres de la baleine à bosse, à la ronde de mille huit cents kilomètres du gnou dans le Serengeti, et au retour précis du saumon du Pacifique vers son ruisseau natal. Les migrateurs volants sont équipés de squelettes accordés pour la solidité à masse minimale, avec des os pneumatisés, des structures du bassin et de l'aile fusionnées, et de l'os cortical et trabéculaire agencés pour l'efficacité, tandis que la navigation elle-même puise dans une trousse à outils héritée de boussoles décodées au fil de décennies d'expériences, à savoir la boussole solaire à correction d'horloge de Kramer chez les étourneaux, la boussole stellaire d'Emlen chez les passerins indigo, la boussole magnétique des Wiltschko chez les rougegorges familiers et son mécanisme quantique proposé, fondé sur le cryptochrome, exploré par Mouritsen, et l'empreinte olfactive de Hasler chez le saumon. De façon plus décisive encore, ces voyages ne sont ni guidés, ni enseignés, ni suivis mais hérités, comme le prouve sans le moindre doute le cycle du monarque sur quatre générations, puisque l'animal qui vole vers un lieu qu'il n'a jamais vu porte le trajet dans sa biologie plutôt que dans sa mémoire.