La truite et le requin

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Le sens de l’électroperception du requin Le champ électrique d’une truite

Olivier Tardif-Paradis Mathieu Riopel Cégep Garneau Centre de démonstration en sciences physiques (appui à la réalisation des démonstrations)

Grand requin blanc à proximité d’un banc de poissons – Crédit :Terry Gross

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Électroperception, un avantage évolutif Contexte Stefano Lorenzini, né à Florence en 1652, était un médecin et ichtyologue italien. Il a décrit, en 1678, la présence de pores donnant sur des tubes transparents, des ampoules, situés sur le pourtour de la bouche des requins, mais il n'en devinait pas néanmoins leur utilité. Ce savant italien était loin de s’imaginer que ces tubes, appelés aujourd’hui « ampoules de Lorenzini », permettaient aux requins de percevoir un monde d’images électriques, inaccessible aux sens des humains. Ce n’est que trois cents ans plus tard, en Figure 1 : Pores présent sur le nez d’un requin. Ces pores 1960, que cet organe a été finalement donnent sur des tubes transparents appelés ampoules de Lorenzini. Crédit : Alber Kok identifié comme étant un sens spécialisé dans la réception de champs électriques. On a alors compris pourquoi ces tubes présentent un avantage évolutif certain pour les prédateurs de la mer qui en possèdent. En effet, toutes les créatures vivantes produisent des champs électriques lorsqu’elles contractent leurs muscles. Un requin peut alors capter les faibles stimuli électriques provenant d’une proie et en déduire sa présence. Comment ce sixième sens fonctionne-t-il? Qu'est-il capable de détecter exactement?

Figure 2 : Truite dorée adulte Crédit : Citron / CC-BY-SA-3.0

La truite dorée est une proie potentielle des requins présents dans l’océan Pacifique en bordure des côtes de la Californie, aux États-Unis. Bien que la plupart des truites vivent exclusivement en eau douce, des spécimens de certaines espèces, telles que la truite dorée (sous-espèce de la truite arc-enciel) passent leur vie adulte dans l’océan et remontent certaines rivières de la Californie pour se reproduire, à l’exemple des saumons. La truite dorée peut atteindre une taille maximale de 71 cm et une masse de 5 kg à l’âge adulte; il s’agit donc d’un mets intéressant pour bien des requins.

Dans ce problème, vous devrez décrire le champ électrique produit par le battement de cœur d’une truite et comprendre son rôle par rapport au sens d’électroperception du requin. Pour aider à la compréhension du phénomène, une truite, un aquarium, un électrocardiogramme et bien des questions seront présentés.

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Cycle en trois étapes Énumérez toutes les informations pertinentes que vous avez recueillies en lisant le problème. D’après ces informations, indiquez ce que vous devez savoir pour résoudre le problème. À mesure que vous découvrirez de nouvelles informations, vous voudrez résumer et mettre à jour les informations pertinentes que vous avez recueillies et poser de nouvelles questions.

Énumérez les éléments suivants : Ce que nous savons

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À déterminer

Résumé

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Se préparer à l’expérience 1) Les vecteurs de la figure suivante représentent un champ électrique d’une charge ponctuelle. Entre quels points représentés sur la figure 3 par les lettres (A, B, C, D, E et F) le module de la différence de potentiel 𝛥𝑉 sera-t-il maximal? minimal?

E D

B Figure 3 : Champ électrique d’une charge ponctuelle.

A

F

C

Réponse pour maximal : 𝛥𝑉𝑚𝑎𝑥 : Entre les points ______________ et ______________ .

Réponse pour minimal : 𝛥𝑉𝑚𝑖𝑛 : Entre les points _______________ et ______________ .

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2) La figure 4 montre les lignes de champ représentant le champ électrique d’un dipôle constitué de charges ponctuelles. À partir de ces lignes de champ, dessinez des lignes d’équipotentielles électriques.

Figure 4 : Lignes de champ électrique d’un dipôle électrique.

X

3) Dans la figure 4, au point représenté par un X, a) représentez un vecteur correspondant au champ électrique produit par la charge positive;

b) représentez un vecteur correspondant au champ électrique produit par la charge négative;

c) représentez un vecteur correspondant à la somme de ces deux champs électriques (champ électrique résultant). Attention : chacune des charges ne produit pas un champ de même grandeur au point X.

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La truite et le requin D’un côté, on dit que certains requins sont plus sensibles aux champs électriques que n'importe quel autre animal, car ces requins présentent un seuil de sensibilité pouvant atteindre 0,5 μV/m. D’un autre côté, à l’aide d’un électrocardiogramme, il est possible de mesurer la grandeur du champ électrique produit par une truite. Dans le cadre de l’expérience, une truite est mise dans un aquarium. Ensuite, deux sondes liées à l’électrocardiogramme sont plongées dans l’aquarium à proximité de la truite comme on l’a représenté à la figure 5. La lecture de l’électrocardiogramme se fait en millivolts (mV) et elle mesure la différence de potentiel électrique entre les deux sondes, comme on le voit à la figure 6. Pour simplifier le modèle, on représente la contraction musculaire du cœur de la truite par un dipôle électrique. Au moment où la différence de potentiel générée par la truite est maximale, la distance entre les charges ponctuelles du dipôle modélisant le système est de 1 cm, soit la taille du cœur de la truite, comme on l’a illustré à la

Figure 5 : Montage permettant de mesurer le battement du cœur d’une truite mouchetée de 16 cm

Figure 6 : Différence de potentielle électrique mesurée aux points A et B par les sondes représentés à la figure 7. Il s’agit des battements de cœur d’une truite mouchetée récoltés lorsque la position de la truite est celle représentée à la figure 7.

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Vue de dessus du poisson dans l’aquarium en présence des sondes A et B au moment de la mesure de la différence de potentiel électrique par l’électrocardiogramme.

y

x

Figure 7 : Représentation de la truite vue de dessus dans l’aquariun et à l’échelle au moment de la prise de mesure par l’électrocardiogramme. Sur le schéma, les positions des sondes A et B ainsi que celle du dipôle électrique qui modélise le cœur sont représentées.

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Le saviez-vous? Le champ électrique ne se comporte pas exactement de la même façon dans le vide que dans l’eau. La constante diélectrique d’un matériau  permet de qualifier le facteur avec lequel le champ électrique est inférieur par rapport à celui du vide. À basse fréquence, à température ambiante et à un certain taux de salinité, on estime la constante diélectrique de l’eau à une valeur de 80. Champ électrique dans un diélectrique : 𝐸𝐷 =

𝐸0 𝜅

Où 𝐸𝐷 est le module du champ électrique dans le diélectrique et où, 𝐸0 est le module du champ électrique dans le vide. Ainsi, on peut considérer que la constante de Coulomb dans le vide 𝑘0 sera différente selon la valeur de la constante diélectrique. 𝑘𝐷 =

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𝑘0 𝜅

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Questions 1) Quelle est la valeur de la charge électrique maximale accumulée dans le dipôle représentant le cœur de la truite?

2) Quelle est la distance maximale à laquelle un requin pourrait détecter le signal électrique émis par le cœur de la truite si le prédateur se trouve à un point sur un axe passant par le centre du cœur? Considérez l’axe comme étant parallèle à l’axe des x dans la figure 7.

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3) Lors de l’expérience qui permet de mesurer le battement cardiaque de la truite, serait-il utile de placer l’aquarium dans une cage métallique grillagée? Expliquez votre réponse.

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