La truite et le requin

Guide de l’élève
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
APP/Student Guide
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.
APP/Guide de l’élève
2
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
APP/Guide de l’élève
À déterminer
Résumé
3
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 ______________ .
APP/Guide de l’élève
4
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.
APP/Guide de l’élève
5
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.
APP/Guide de l’élève
6
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.
APP/Guide de l’élève
7
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 =
APP/Guide de l’élève
𝑘0
𝜅
8
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.
APP/Guide de l’élève
9
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.
APP/Guide de l’élève
10