Une chauve-souris qui glisse silencieusement dans la nuit peut attraper un moustique en vol en une fraction de seconde, sans presque utiliser ses yeux. Cette capacité remarquable repose sur l'écholocalisation, le système de sonar biologique dont disposent la plupart des espèces de chauves-souris. En émettant des ondes sonores et en interprétant les échos qui leur reviennent, elles se construisent une « carte sonore » extraordinairement détaillée de leur environnement.
Qu'est-ce que l'écholocalisation ?
L'écholocalisation est le processus par lequel un animal détermine la position, la distance, voire la forme des objets qui l'entourent en écoutant le retour de ses propres sons réfléchis par les surfaces environnantes. Outre les chauves-souris, les dauphins, plusieurs espèces de cétacés à dents et même quelques oiseaux cavernicoles utilisent cette technique à des degrés divers. Chez les chauves-souris cependant, environ cinquante millions d'années d'évolution ont affiné ce système jusqu'à une précision extraordinaire : certaines espèces peuvent détecter et éviter en plein vol un fil aussi fin qu'un cheveu humain.
Le principe sous-jacent est étonnamment simple. Une chauve-souris émet une impulsion sonore, souvent à des fréquences bien trop élevées pour l'oreille humaine (de 20 kilohertz à plus de 200 kilohertz). Ce son se réfléchit partiellement sur tout ce qu'il rencontre — une feuille, un mur ou un insecte en vol. La chauve-souris capte cet écho et, à partir du temps de trajet aller-retour, calcule la distance ; à partir des variations d'intensité et de fréquence de l'écho, elle déduit la taille, la texture et la direction de déplacement de l'objet.
Comment les chauves-souris produisent-elles leurs sons ?
La plupart des espèces de chauves-souris produisent leurs cris ultrasoniques en contractant les muscles du larynx et les émettent par la bouche. D'autres empruntent une voie différente : le groupe connu sous le nom de chauves-souris à feuille nasale dirige ses cris à travers des structures nasales aux replis complexes, qui concentrent le son en un faisceau étroit pour un balayage plus précis. Une curieuse exception existe chez certaines roussettes, qui produisent des clics en battant des ailes plutôt qu'en vocalisant, ce qui leur procure une conscience spatiale plus rudimentaire mais tout de même fonctionnelle.
Interpréter l'écho : oreilles et cerveau
Émettre le son n'est que la moitié du travail ; la véritable complexité réside dans le traitement de l'écho qui revient. La cochlée, en forme de spirale, de l'oreille interne des chauves-souris est sensible sur une large plage de fréquences et particulièrement bien accordée à la bande étroite où reviennent typiquement les échos. Le cerveau traite simultanément le décalage temporel entre le cri émis et l'écho reçu, le décalage de fréquence, ainsi que d'infimes différences de timing entre les deux oreilles, calculant la position tridimensionnelle de la proie presque instantanément. Il s'agit d'un traitement du signal extrêmement rapide, répété des centaines de fois par seconde.
Un ajustement fin contre l'effet Doppler
Certaines espèces, comme les rhinolophes, peuvent ajuster en temps réel la hauteur de leurs cris pour compenser le décalage Doppler provoqué par leur propre vol et le mouvement de leur proie. Cet ajustement maintient l'écho de retour dans la bande de fréquence étroite où leurs oreilles sont les plus sensibles, ce qui permet à la chauve-souris de distinguer jusqu'au battement d'ailes d'un insecte au milieu du bruit ambiant. Ce mécanisme est considéré comme l'un des systèmes de traitement du signal biologique les plus précis connus dans la nature.
La « phase de bourdonnement » de la chasse
À mesure qu'une chauve-souris se rapproche de sa proie, elle change de stratégie. À distance, elle n'émet que quelques impulsions par seconde ; en approchant de sa cible, ce rythme peut dépasser 160 impulsions par seconde — une étape que les scientifiques appellent la « phase de bourdonnement » (buzz phase). Ce flux rapide d'impulsions permet à la chauve-souris de suivre en temps quasi réel les mouvements d'évitement soudains de sa proie, améliorant considérablement ses chances de réussite dans les derniers instants de la poursuite.
Contre-stratégies : la résistance silencieuse des proies
Aussi efficace que soit l'écholocalisation, les proies ont développé des moyens de la contourner. Certaines espèces de papillons de nuit ont développé des oreilles simples mais fonctionnelles, spécifiquement sensibles aux cris des chauves-souris, qui leur permettent de détecter une menace à l'approche et d'esquiver par des manœuvres brusques. Certains papillons vont plus loin en produisant leurs propres clics ultrasoniques, qui soit brouillent le sonar de la chauve-souris, soit servent de signal d'avertissement indiquant qu'ils sont toxiques et peu appétissants. Ce jeu du chat et de la souris illustre parfaitement les courses aux armements évolutives si fréquentes dans la nature.
Une contribution à la science et à la technologie
Cette capacité fascine autant les ingénieurs que les biologistes. Le principe consistant à déduire distance et position à partir d'un son réfléchi sous-tend aussi bien les systèmes de sonar embarqués sur les navires que l'imagerie par ultrasons utilisée en médecine pour examiner les tissus mous. Les chercheurs étudient depuis des années comment les chauves-souris parviennent à suivre leurs cibles avec une telle précision, même dans des environnements bruyants, et appliquent ces connaissances à des algorithmes de traitement du signal ainsi qu'à la réduction des angles morts dans les systèmes de navigation robotique. Ce « biosonar » naturel est souvent cité comme un rare exemple où des millions d'années d'évolution offrent directement un modèle pour l'ingénierie.
L'écholocalisation est-elle propre aux chauves-souris ?
Non. Les dauphins et plusieurs espèces de cétacés à dents utilisent un système sonar comparable pour trouver leurs proies et s'orienter dans des eaux troubles ou sombres, en dirigeant le son non pas depuis le front mais via un organe graisseux appelé melon. Les scientifiques ont également documenté l'« écholocalisation humaine », par laquelle certaines personnes aveugles apprennent à percevoir les objets qui les entourent grâce aux échos de clics de langue ; des études d'imagerie cérébrale montrent que chez ces personnes, des régions normalement associées à la vision sont réaffectées au traitement des informations sonores échoïques. Cela suggère que l'écholocalisation n'est pas une capacité exotique propre à une seule espèce, mais une solution que l'évolution a trouvée à plusieurs reprises, indépendamment.