Certes, le caméléon change de couleurs. Mais ce don qu'il a dans la peau n'est pas pigmentaire : il est nano-optique. Une totale surprise, comme l'a constaté Alexandra Pihen.

Une langue-catapulte, des yeux capables de bouger indépendamment, une queue préhensile, des doigts en forme de pinces, un épiderme qui peut changer de couleurs. la famille des caméléonidés, qui regroupe plus de 200 espèces réparties surtout en Afrique orientale et à Madagascar, ont des caractéristiques physiologiques hors normes.

Du caméléon, on savait que sa réputation de pro du camouflage était usurpée. Les spécialistes le disent depuis des lustres : non, cet étrange lézard de la famille des sauriens ne change pas de couleurs pour se fondre dans le décor et échapper à ses prédateurs ou leurrer ses proies. Il s'agit là d'une légende urbaine, qui a la vie dure : le malheureux caméléon désigne toujours les personnes versatiles. Au vrai, l'animal a la peau naturellement verte et, dans les feuillages où il vit, il est ainsi camouflé. S'il modifie son apparence, c'est pour. se rendre visible ! "Lorsqu'il combat un autre mâle ou tente d'impressionner une femelle, le caméléon veut montrer qu'il est le plus grand, le plus beau, le plus fort, explique Michel Milinkovitch, et au risque d'être vu par ses prédateurs, il abandonne son camouflage quelques minutes au profit de sa visibilité".
Michel Milinkovitch sait de quoi il parle : avec son équipe du laboratoire de génétique et d'évolution de Genève, ce biologiste a passé les trois dernières années à étudier les talents transformistes du caméléon. Et au terme de ses travaux, il a réussi à dévoiler le secret que le reptile cache sous sa peau. Un mécanisme pigmentaire de plus, pensions-nous. Nous étions loin du compte ! Contre toute attente, ce secret révèle, dans l'ordre du vivant, une innovation structurale sidérante de complexité, d'originalité et de subtilité, à faire pâlir de jalousie tous les experts en nanotechnologie. De quoi rendre à l'animal son caractère fantasmatique. Pour comprendre, il faut savoir que, jusqu'ici, la propension du caméléon à changer de couleurs était expliquée par la présence et la diffusion sous la peau de différents pigments. Or, Michel Milinkovitch a d'emblée constaté que quelque chose clochait : "L'hypothèse acceptée jusqu'à présent dans les livres de référence pour expliquer les couleurs des caméléons ne correspondait pas aux observations." De fait, les seuls pigments découverts dans le derme du caméléon sont jaunes, rouges ou marron. Comment peut-il alors présenter ces verts ou ces bleus électriques au repos, puis virer à l'orange et au rouge lorsqu'il est excité ?
Pour élucider le mystère, le biologiste et son équipe ont ramené dans leur laboratoire un caméléon-panthère, une espèce malgache sauvage. Et dès les premières images de son épiderme réalisées en microscopie électronique, première surprise : le caméléon mâle possède 2 couches d'iridophores, ces cellules composées de petits cristaux de guanine qui réfléchissent la lumière. Alors que les femelles, les juvéniles et tous les autres lézards n'en possèdent qu'une. "Le caméléon mâle est le seul reptile sur lequel nous avons observé cette duplication, souligne Suzanne Saenko, membre à l'époque du laboratoire suisse. Et chaque strate a des caractéristiques bien spécifiques". Alors que la première strate, profonde et commune aux lézards, possède des cristaux assez gros et désorganisés, la deuxième, propre aux caméléons mâles et située en surface de l'épiderme, est très fine et composée de cristaux beaucoup plus petits, d'une centaine de nanomètres. Plus étonnant encore, ces nanocristaux sont disposés de façon très ordonnée, à l'instar des atomes dans un cristal solide. C'est le premier indice d'un mécanisme non pas pigmentaire mais purement optique : selon l'arrangement de ces cristaux, certaines couleurs sont réfléchies et d'autres absorbées (voir infographie), conférant au caméléon des teintes plus ou moins rouges ou bleues.

IL JOUE AVEC LA LUMIÈRE : Michel Milinkovitch et son équipe sont alors convaincus d'avoir découvert le secret du caméléon : "Aussi incroyable que cela pouvait nous paraître, les changements de coloration semblaient liés à la capacité de l'animal à changer la distance entre ces nanocristaux !" Au repos, les cristaux, proches, réfléchissent les courtes longueurs d'onde, comme le bleu qui s'ajoute aux pigments jaunes pour produire des verts. En revanche, lorsque le caméléon s'excite face à un autre mâle ou une femelle convoitée, les cristaux s'écartent et réfléchissent de plus grandes longueurs d'onde, générant de nouvelles couleurs. Pour démontrer leur intuition, les biologistes ont alors besoin de spécialistes de la spectroscopie optique et convainquent Jérémy Teyssier, chercheur au Quantum Matter Physics de Genève, de les rejoindre. Les expérimentations commencent. Les chercheurs quantifient la variation de couleur des caméléons lorsqu'ils passent du repos à un état excité, puis comparent ces résultats avec les couleurs que renvoie une modélisation de la structure photonique des nanocristaux en faisant varier la distance qui les sépare. Les deux courbes obtenues sont parfaitement superposables ! Ce qui confirme que l'espacement entre les cristaux pourrait bel et bien jouer un rôle fondamental dans la réponse photonique de la structure.
Ils se penchent ensuite sur des échantillons de peau et observent la réponse optique à l'échelle cellulaire. "En leur faisant subir un choc osmotique lors d'une immersion dans l'eau salée, les cellules se vident de leur eau et se contractent en générant un changement de couleur un peu similaire à ce qui se passe sur le caméléon, explique Jérémie Teyssier. En une minute on passe du bleu au rouge !" Ces variations, visibles à l'échelle de la cellule, correspondent aux simulations réalisées sur les caméléons vivants.

NANOTECHNOLOGIE OPTIQUE : La preuve est faite. Ses couleurs bariolées, le caméléon les doit à des nanocristaux ordonnés dans une fine couche superficielle de sa peau, dont il peut moduler les espacements pour jouer avec la lumière incidente. Balayées les théories pigmentaires qui lui collaient à la peau. Le caméléon est un expert hors pair en nanotechnologie optique ! "Cette découverte originale révolutionne la compréhension des variations colorimétriques des caméléons", admet Anthony Herrel, directeur de recherche spécialiste des caméléons au Muséum national d'histoire naturelle. Michel Milinkovitch n'en reste pas là et s'interroge : quels sont les mécanismes moléculaires à l'origine de la formation de ces nanocristaux lors du développement du caméléon ? Comment jouent-ils sur la distance entre ces nanocristaux ? Les métamorphoses du caméléon s'avèrent finalement encore plus fascinantes pour les scientifiques que pour ses congénères, craints ou désirés. Le zoologue Bernard-Germain de Lacépède nous avait déjà avertis il y a 200 ans : "Le caméléon des poètes n'a point existé pour la nature, mais il pourra exister à jamais pour le génie et pour l'imagination".

Comment le caméléon change-t-il de couleur ? Pour le découvrir, Jérémie Teyssier et ses collègues de l'Université de Genève ont étudié des caméléons panthères mâles en phase de combat. Ils passent en quelques minutes de l'état de repos - bleu, vert et rouge - à l'état excité - blanc, jaune-orange et rouge vermillon.

L'étude révèle que leur peau est constituée de deux couches de cellules iridescentes, nommées iridophores qui contiennent des nanocristaux de guanine, l'une des bases azotées qui composent l'ADN. Dans chaque iridophore de la couche extérieure, les cristaux forment un réseau triangulaire. Leur indice de réfraction vaut 1,83, alors que celui du cytoplasme - le milieu cellulaire environnant n'est que de 1,33. Cette différence conduit le réseau de nanocristaux a se comporterc omme un «cristal photonique» : il est opaque à la lumière dans certaines gammes de longueurs d'onde, nommées bandes de fréquences interdites et qui dépendent de la période spatiale du réseau.
Les chercheurs ont remarqué que la distance entre les nanocristaux augmente de 30 % quand les caméléons s'excitent, et ils ont pu vérifier que c'est bien cette expansion du réseau qui modifie les bandes de fréquences interdites, donc la couleur des caméléons. La couche intérieure d'iridophores, où les cristaux sont plus grands, a pour sa part la particularité de réfléchir 45 % du rayonnement dans le proche infrarouge, une protection thermique utile pour les caméléons. Il reste à déterminer les mécanismes neuronaux et hormonaux impliqués dans le fonctionnement des iridophores : le caméléon n'a pas fini de nous livrer les secrets de son étonnante parure.

Si les caméléons changent de couleur, ce n'est pas uniquement pour se camoufler.

Deux chercheurs de l'université d'État de l'Arizona (États-Unis) ont montré que les caméléons casqués mâles utilisent cette faculté pour communiquer avec d'autres mâles, probablement sur leur motivation ou leur force physique, avant et au moment de les affronter. Elle permettrait même de prédire l'issue du combat : les animaux arborant des rayures et une tête aux couleurs les plus vives ont plus de chances de s'approcher de leur rival et de le vaincre. La rapidité avec laquelle ils changent de couleur accentuerait le résultat. Selon les chercheurs, des teintes changeantes et vives trahiraient l'état hormonal et les réserves énergétiques de l'animal... deux éléments physiologiques directement liés à la force physique.

La faculté légendaire du caméléon à se fondre dans son environnement est à l'origine de la popularité de ce reptile saurien. Pourtant, sa réputation est en partie usurpée.

S'il est vrai que les représentants de la famille des Chamaeléonidés changent de livrée comme de chemise (ou presque), ils n'ont finalement à leur disposition qu'un répertoire de couleurs assez limité : chaque espèce possède en effet une gamme de pigments qui lui est propre, en général dans les tons jaunes, bruns ou rougeâtres.

CELLULES TRÈS SPÉCIALISÉES

La coloration du caméléon est avant tout une arme de camouflage. Compensant sa lenteur, elle lui permet d'échapper aux prédateurs. Le changement de couleur s'effectue sous contrôle neuro-hormonal, en fonction de stimuli visuels (décor, luminosité), mais aussi de la température et de l'état psychique. La teinte de sa peau (le tégument) est ainsi un véritable baromètre de son humeur, telle espèce palissant sous l'effet de la maladie, telle autre se parant de couleurs agressives pour éloigner un intrus ou virant à l'écarlate durant la saison des amours.
Mais le caméléon ne sera jamais un Arlequin. Au mieux, il peut adopter les couleurs dominantes du support sur lequel il est placé - phénomène appelé homochromie variable -, une facuité partagée avec certains poissons plats comme le turbot, mais aussi avec la seiche, des crustacés, des batraciens... Cette adaptation est due à la dispersion, ou au contraire à la concentration des pigments colorés du tégument. Ces pigments sont contenus au centre de cellules en forme d'étoile : les chromatophores. On en distingue plusieurs sous-types : les mélanophores recèlent des pigments bruns à noirs, les xanthophores, des pigments jaunes et les érythrophores, des pigments rouges. Ceinturés de fibres musculaires, ces chromatophores sont dotés d'une certaine élasticité. Sous l'action de stimuli nerveux, ils peuvent se dilater dans tout l'espace disponible en émettant des sortes de ramifications : les pigments cellulaires qui étaient concentrés au centre de la cellule (teinte claire) se dispersent alors (teinte soutenue). Au final, c'est la combinaison de différents types de chromatophores rétractés ou dilatés qui détermine la coloration que prend le caméléon.