E21 Canal électromagnétique

Topique

Le rayonnement électromagnétique est l'un des canaux sensoriels les plus riches pour la compréhension de l'environnement, car il englobe une vaste gamme de fréquences, des ondes radio aux rayons gamma. L'œil humain n'utilise qu'une petite partie de ce spectre : la lumière visible. D'autres espèces étendent cette gamme et obtiennent des informations inaccessibles à l'homme. Les insectes et les oiseaux peuvent détecter la lumière ultraviolette, tandis que d'autres animaux sont sensibles aux régions infrarouges associées à la détection des sources de chaleur. Ainsi, la gamme spectrale à laquelle chaque système sensoriel réagit détermine directement les aspects de l'environnement qu'il peut percevoir.

L'énergie de chaque photon dépend de sa fréquence et détermine s'il peut produire une réaction photochimique dans un photorécepteur. Dans l'œil humain, les opsines absorbent les photons du spectre visible et déclenchent la réponse visuelle. En dehors de ce spectre, l'interaction est différente : les photons ultraviolets ont une énergie plus élevée et peuvent endommager les cellules au lieu de provoquer une activation photochimique contrôlée, tandis que les photons correspondant à l'infrarouge thermique ont une énergie trop faible pour activer ces mêmes mécanismes visuels. Par conséquent, la présence de rayonnement électromagnétique dans l'environnement ne signifie pas nécessairement qu'il peut être détecté par l'œil : son énergie doit se situer dans la gamme à laquelle ses molécules photosensibles réagissent. Les lois de Planck et de Wien établissent un lien entre la température d'un corps et le spectre du rayonnement qu'il émet. Le Soleil présente son émission maximale dans une région proche du spectre de la vision humaine, tandis que le corps d'un animal à sang chaud émet principalement un rayonnement de longueur d'onde beaucoup plus grande. Un capteur adapté à cette dernière région peut détecter la chaleur corporelle imperceptible à l'œil nu. De plus, il existe une fenêtre atmosphérique qui transmet particulièrement bien une bande de rayonnement coïncidant avec une part importante de l'émission thermique des organismes à sang chaud. Les capteurs biologiques ou artificiels accordés à cette bande peuvent donc détecter directement des informations thermiques.

La propagation du rayonnement à travers différents milieux est conditionnée par son absorption. La loi de Beer-Lambert décrit la diminution d'intensité lors de la traversée des tissus biologiques, de l'eau ou de l'atmosphère. Cette absorption dépend de la longueur d'onde. Dans l'eau, la pénétration de la lumière est relativement faible dans la région bleu-vert du spectre visible ; ces longueurs d'onde pénètrent donc plus profondément que les autres. Ceci explique pourquoi les systèmes visuels des organismes aquatiques sont adaptés à la région spectrale disponible en profondeur.

L'œil humain présente également une absorption sélective. Ses structures absorbent fortement le rayonnement ultraviolet, réduisant ainsi la quantité atteignant la rétine et la protégeant des dommages liés aux photons de haute énergie, tout en transmettant beaucoup plus efficacement le spectre visible nécessaire à la vision. De cette manière, les propriétés moléculaires des photorécepteurs et les caractéristiques optiques des tissus situés en avant déterminent conjointement la proportion du rayonnement ambiant pouvant être convertie en information visuelle.

Même dans le spectre traversant l'œil et activant les photorécepteurs, la quantité de détails perceptibles est physiquement limitée. La pupille fonctionne comme une ouverture circulaire et, par conséquent, la lumière qui la traverse subit une diffraction. Selon la limite de diffraction, deux points trop proches produisent des figures qui ne peuvent plus être distinguées individuellement. L'angle minimal de résolution dépend de la longueur d'onde et du diamètre de l'ouverture : plus la taille de la pupille diminue, plus l'effet de diffraction augmente et plus la résolution angulaire se dégrade.

D'après le texte, cette limite physique coïncide approximativement avec l'espacement entre les cônes de la fovéa humaine. La résolution visuelle résulte donc de l'équilibre entre l'optique de l'œil et la densité spatiale de ses récepteurs : des récepteurs beaucoup plus rapprochés n'apporteraient que peu d'informations supplémentaires si la diffraction empêchait déjà de distinguer les plus petits détails.

En résumé, la vision découle d'une chaîne de contraintes physiques. Le spectre disponible détermine le type de rayonnement existant ; l'énergie des photons détermine lesquels peuvent activer les photorécepteurs ; les lois de Planck et de Wien relient la température au rayonnement émis ; la loi de Beer-Lambert détermine les longueurs d'onde qui traversent chaque milieu ; et la diffraction détermine enfin la finesse des détails spatiaux pouvant être résolus. Chaque espèce n'a ainsi accès qu'à une partie de l'information électromagnétique présente dans son environnement, déterminée conjointement par la physique du rayonnement et par les caractéristiques de son propre système sensoriel.

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