Une Structure à l'origine de la couleur : les plumes
Les colibris sont pourvus de plumes qui en fonction de l’espèce, prennent des teintes plus ou moins vives. Ces plumes forment un ensemble compact sur le corps. Comme le colibri à gorge rubis, certaines plumes, en l’occurrence au niveau de la gorge, sont qualifiées d’iridescentes. C’est-à-dire que l’on observe une variation des couleurs (du rouge « flashy » au brun dans le cas du colibri à gorge rubis).
Les plumes du colibri sont pourvus de barbules. Sur ces mêmes barbules sont disposés perpendiculairement de micro-barbules Ces derniers agissent sur la lumière comme le fait un réseau. En effet, ici les micro-barbules diffractent puis réfléchissent la lumière selon un angle précis. Certaines plumes paraissant d'un rouge vif selon une lumière donnée paraîtront noires sous un autre angle. En fait, toutes les plumes du colibri sont iridescentes mais certaines parties du plumage sont plus brillantes que d'autres. Il en est ainsi de la gorge du Colibri à gorge rubis. Les plumes les plus irisées sont situées au niveau de la gorge.
Un Acteur : La lumière
La lumière est un « transport d'énergie » sans transport de matière. La lumière a les propriétés d’une onde électromagnétique : son support est le photon et on peut « ranger » les radiations lumineuses par leur longueur d’onde. C’est pourquoi on parle d’aspect corpusculaire et ondulatoire. Le photon, se déplace en ligne droite à la célérité c=3*10⁸km/s.
Chaque longueur d’onde du spectre de la lumière blanche correspond à une couleur particulière. Le spectre des couleurs visibles s’étend d’environ 400 nanomètres à 800 nanomètres. Au-delà, de 800nm, l’œil humain est incapable de percevoir les couleurs ; cependant des électromagnétiques existent dans ces longueur d’ondes (λ > 800nm) : les ultraviolets. De même en dessous de 400nm on trouve des ondes appartenant aux infrarouges.
Une Variation de couleur:Interférences et diffraction
Dans certains cas, la couleur varie selon l'angle d'observation. Les interférences de couche mince, ou les interférences résultant de la diffraction sont responsables de cet effet. Le colibri, lui, est concerné par les interférences issues de la diffraction.
Interférences de couche mince
L’iridescence des ailes de mouches, de libellules et de certains papillons provient d’une couche mince recouvrant ces ailes et produisant des couleurs interférentielles. Dans le cas des papillons, les ailes contiennent des écailles de fond et des écailles de recouvrement, disposées à la façon d'un toit de tuile. La structure de ces écailles et les pigments qu’elles contiennent jouent un rôle dans la couleur observée. Par exemple, les papillons de la famille des Uraniidae possèdent des écailles de fond contenant des pigments et des écailles de recouvrement ayant une structure en multicouche.
Les couches n₁, n₂ et n₃ représentent par exemple les écailles des ailes de papillon. E₁ est le rayon incident et Er₁, Er₂ et Er₃ sont les rayons réfléchis sur chacune des couches. Les rayons réfléchis arrivent vers l’œil. Pour percevoir la couleur, il faut que les ondes arrivent en même temps au niveau de la rétine. Sinon l’œil percevra du noir.
Diffraction et interférences résultant de microstructure périodiques
Attachons nous maintenant au phénomène physique qui crée sur les plumes des colibris des couleurs aussi surprenantes. Contrairement aux pigments qui tirent leurs couleurs de l’absorption de certaines radiations de la lumière blanche, les radiations lumineuses renvoyées par les plumes du colibri suivent le principe des interférences.
Les plumes de certains oiseaux dont le colibri, observées au microscope électronique à balayage, révèlent des microstructures périodiques. Les plumes du colibri sont réputées pour leurs couleurs vives qui proviennent des micro-barbules parallèles situées dans les barbules. Ces micro-barbules diffractent la lumière comme un réseau, d’où les variations de couleurs selon l’angle d’observation.
Diffraction de la lumière blanche par un réseau
On parle de couleurs interférentielles lorsque la lumière blanche arrive sur deux micro-barbules. Ces derniers diffractent et réfléchissent la lumière blanche (sur le schéma ci-dessous, la lumière n’est pas diffractée car il n’y a qu’une seule longueur d’onde. Et la lumière n’est pas réfléchie non plus, elle traverse les fentes). En agissant comme un réseau, les micro-barbules renvoient des radiations rouges (dans le cas du colibri à gorge rubis).
Ici, de la lumière bleue arrive par la gauche. Les deux fentes créent des interférences. Dans le cas du colibri, les fentes sont créées par les micro-barbules très rapprochés. Comme pour les interférences de couche mince, on observe des interfranges. Ce phénomène se traduit par une perception de couleur (ici bleue) lorsque les ondes arrivent en même temps, sinon les ondes « s’annulent » : aucune couleur ne parvient à l’œil.
Les interférences sont dues à une différence de marche. C’est-à-dire que les deux radiations sont issues de deux micro-barbules (issues de deux fentes sur le schéma ci-dessus). Ainsi, ces deux rayons parcours des chemins différents entre l’œil humain et les deux micro-barbules.
S₁ et S₂ sont les deux fentes et S la source de lumière. Après avoir traversé les fentes les rayons arrivent au point M ou la rétine. La distance parcourue par les rayons à partir des deux fentes, est différente : S₁M≠ S₂M
La différence des distances parcourues par les deux rayons est notée δ. Lorsque cette différence est un multiple de la longueur d’onde renvoyée en direction de l’œil, on parle d’interférences constructives : ici on obtient du bleu (schéma des interférences et interfranges). A l’inverse, on parle d’interférence destructive lorsque δ est un demi-multiple de la longueur d’onde.
En conclusion, les couleurs du colibri sont dites interférentielles. En effet, les micro-barbules remplacent un réseau et les radiations lumineuses issues de deux micro-barbules créent des interférences constructives : l’œil perçoit donc de la lumière. Lorsque l’œil ne perçoit que des plumes brunes, les interférences sont dites destructives car aucune couleur ne parvient à l’œil.
Des couleurs bien utiles
Les couleurs chatoyantes des plumes du colibri ont deux buts précis. Tout d’abord, ces couleurs représentent un avantage dans la conquête d’une femelle. En effet, lors de la parade nuptiale qui se compose de plusieurs étapes, le colibri expose son plumage à la vue de la femelle. Les couleurs vives aident le colibri à séduire la femelle, souvent courtisée par de nombreux candidats. De plus, les couleurs servent au colibri à se défendre. Plus ses plumes sont de couleurs vives, plus le colibri paraîtra impressionnant devant un autre. En exposant son plumage à la vue de son adversaire, le colibri intimidera son congénère. En général, les colibris attaquent pour protéger leur territoire et en particulier les fleurs pleines de nectar. Ces fleurs qu’ils visitent chaque jour, leur fournissent leur besoins en énergie.