Académie d'Aix-Marseille Pédagogie
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PERSISTANCE DES IMPRESSIONS LUMINEUSES SUR LA RETINE

Denis Regaud
Professeur


1-Objectif

Montrer et expliquer la persistance des impressions lumineuses sur la rétine. On se réfère pour cela très souvent au principe du cinématographe ou de la télévision mais il est aussi possible d'utiliser les "gif animés" qui sont d'usage très courant en informatique sur les pages Web.


2-Etude expérimentale

Le cycle de la réaction chimique de la vision qui est présenté par la suite n'est pas immédiat mais il met un certain temps à se produire. Ce temps est de l'ordre de 0,1 s. Ceci signifie que l'œil fabrique une image tous les 1/10ème de seconde. Deux cas se présentent :
  • Les images sont séparées par un temps supérieur à 1/10ème de seconde : le cerveau le traduit comme des images distinctes ou saccadées.
  • Les images sont séparées par un temps inférieur à 1/10ème de seconde : Le cerveau "comble les vides" en laissant croire que tout se fait sous la forme d'une continuité.

C'est ce principe qui est utilisé au cinéma. On fait alors défiler les images à raison de 24 images par seconde. Sur un écran de télévision, la vitesse de défilement est à peine différente puisqu'elle est de 25 images par seconde.

Cet effet peut être recréé par ordinateur, c'est le principe du "gif animé". Il s'agit d'une succession de dessins que l'on peut faire défiler à vitesse plus ou moins variable. En voici un exemple utilisant la rotation de la Terre :


Ces images peuvent être séquencées. Avec une vitesse pas très importante (0,5 s entre chaque image), on se rend bien compte de la succession des dessins et du mouvement saccadé :

En augmentant la vitesse (0,3 s entre chaque image), il devient plus difficile de distinguer les sauts entre les différentes séquences :

A vitesse rapide (aucun délai entre chaque image), on approche de la "continuité" ou plutôt ce que le cerveau traduit comme une continuité :

 

3-Explications

Les récepteurs de l'œil : cônes et bâtonnets

Dans le fond de l'œil de chaque être humain mais aussi des vertébrés, des mollusques et des arthropodes, sur la rétine, se trouvent des cellules capables de capter de la lumière grâce à une réaction photochimique. Ces cellules sont de deux types :
  • Les bâtonnets qui sont en quantité de l'ordre de 1 milliard. Ils sont capables de capter une lumière faible mais par contre ne différencient pas les couleurs. C'est à cause d'eux que la nuit, on y voit en noir et blanc (la nuit, tous les chats sont gris !).
  • Les cônes dont le nombre est de l'ordre de 3 millions. Ils ne fonctionnent qu'en lumière plus intense mais ils peuvent distinguer les différentes couleurs car ils sont formés de trois catégories qui absorbent sélectivement le rouge, le vert ou le bleu.

La transmission s'effectue au cerveau par voie chimique puis par l'intermédiaire du nerf optique.

Rétinal et rhodopsine

Les deux types de cellules précédentes captent la lumière par une molécule dont le nom chimique est le 11-(Z)-rétinal qui a la possibilité en présence de lumière de s'isomériser en 11-(E)-rétinal.

(les cercles vides représentent les atomes de carbone sans les atomes d'hydrogène pour des questions de lisibilité)

Cette molécule est un bon chromophore grâce à l'enchaînement de doubles liaisons conjuguées qui la constitue. Le groupement aldéhyde permet des liaison avec les protéines et permet aussi de modifier la longueur d'onde d'absorption. Le rétinal a aussi la capacité d'absorber les rayons ultraviolets mais ceux-ci sont filtrés par un pigment jaune situé dans la cornée.

  • Dans le cas des bâtonnets, le rétinal s'accroche à une protéine appelée l'opsine. Le groupement alors formé s'appelle de la rhodopsine. Il s'agit d'un pigment rouge appelé également pourpre de la vision.
  • Dans le cas des cônes, le rétinal est lié à 3 formes différentes d'opsine qui absorbent le rouge, le vert ou le bleu.

Isomérisation Z-E du rétinal

 Lorsque de la lumière frappe un bâtonnet ou un cône, il y a isomérisation du 11-(Z)-rétinal en 11-(E)-rétinal.

Le 11-(Z)-rétinal peut s'accrocher avec de l'opsine mais pas le 11-(E)-rétinal. Cela signifie que l'isomérisation brise l'association entre rétinal et opsine. Il existe une enzyme (catalyseur biologique), la rétinal isomérase qui retransforme en présence de lumière le 11-(E)-rétinal en 11-(Z)-rétinal.

La vitamine A a une structure proche du rétinal (-CH2OH remplace -CHO) et une enzyme peut l'oxyder en rétinal d'où l'importance d'en apporter suffisamment à l'organisme.

Résumé schématique :

 

4-Questions

 L'image formée sur une photographie est-elle continue ou discrète ? Quelle en est la limite de résolution ?

 Même question dans le cas de l'œil. Pour un œil humain, la résolution de l'image est-elle meilleure en noir et blanc ou en couleur ? Quelle est la couleur la mieux perçue ? Trouvez une application pratique.

 Légendez le dessin de l'œil précédent. Quelle partie transmet l'information au cerveau ? Trouvez le mécanisme de transmission dans une encyclopédie (voir ci-dessous).

 Donnez la définition d'un isomère Z ; d'un isomère E. Quelle est la famille chimique concernée ?

 Qu'est-ce qu'un aldéhyde ?

 Qu'est-ce qu'une enzyme ? Quel est le rôle des enzymes dans le corps humain ?

 Trouvez les définitions de complexe, rhodopsine et lumorhodopsine.


5-Pour en savoir plus

Sources :

Cédéroms : " Le secret des couleurs ", " Encyclopédie ENCARTA ", Encyclopédie "Universalis", "Encyclopédie des sciences"

http://www.erag.ch/MAC/Base.htm

http://www. snof.org

 http://www.ac-nice.fr

Revue Science et Vie hors série sur la lumière (mars 1994)

Revue du Palais de la Découverte "Les couleurs de la nature " octobre 1994.