Comment la coquille d’un œuf piège la lumière et aide à analyser l’embryon

Avez-vous déjà essayé d’observer l’intérieur d’un œuf non éclos en le plaçant devant une lumière vive, pour vérifier s’il contient un embryon ? Cette méthode peut indiquer si l’œuf est fécondé ou non, mais elle ne révèle guère davantage.

Les couvoirs traitent des volumes vertigineux d’œufs. En Europe, les installations incubent à elles seules environ huit milliards d’œufs de poule chaque année. Pourtant, tous ne sont pas exploitables.

Dans les lignées de poules pondeuses, les poussins mâles ne pondent pas et grossissent trop lentement pour la production de viande : en Europe seulement, plus de 300 millions sont donc tués peu après l’éclosion.

Les défenseurs des droits des animaux s’opposent à cette pratique, mais il n’existe actuellement aucun moyen de déterminer avec certitude le sexe d’un poussin avant l’éclosion.

Une nouvelle piste - éclairer un œuf intact et enregistrer son comportement optique - pourrait contribuer à répondre à une partie de ces problèmes.

La lumière dans les œufs suit des trajectoires complexes

Depuis longtemps, la lumière sert à inspecter les œufs : autrefois en plaçant une bougie derrière la coquille, aujourd’hui via des scanners intégrés aux chaînes de production. Mais ces approches ne tiennent pas compte d’un point essentiel : le chemin exact emprunté par chaque faisceau une fois qu’il a pénétré dans l’œuf.

Les œufs de poule présentent des propriétés optiques complexes et, selon Lennard van den Tweel - chercheur chez HatchTech B.V. (Pays-Bas) et coauteur de l’étude - la manière dont la lumière migre à travers eux a, dans une large mesure, été négligée.

La lumière parcourt trop de distance dans un œuf

L’équipe a utilisé une technique appelée spectroscopie optique diffuse en domaine temporel (time-domain diffuse optical spectroscopy, TD-DOS), qui mesure le temps mis par les particules de lumière pour traverser un échantillon.

Ils ont fait passer une lumière proche infrarouge à travers des œufs entiers et ont observé que les photons y restaient bien plus longtemps que prévu, certains jusqu’à huit nanosecondes.

Un tel retard semble difficile à expliquer pour un objet large de seulement quelques centimètres. Un morceau de tissu ordinaire de taille comparable laisserait passer la lumière en une fraction de ce temps.

Pas une lueur, en réalité

Le premier suspect était le pigment. Les coquilles brunes contiennent un composé capable d’absorber la lumière puis de la réémettre sous forme de faible lueur - un phénomène appelé fluorescence - ce qui pourrait, en théorie, étirer le signal dans le temps.

Pour vérifier cette hypothèse, l’équipe a placé des filtres optiques devant le détecteur afin d’intercepter une éventuelle lumière réémise. Or les photons détectés correspondaient à la longueur d’onde de la lumière incidente, ce qui montrait que les retards observés n’étaient pas dus à une lueur.

Une coquille d’œuf qui piège la lumière

Une fois l’hypothèse du pigment écartée, la réponse se trouvait dans la coquille elle-même. Après avoir dissous la coquille à l’acide, le jaune et le blanc restants laissaient la lumière s’échapper rapidement, ce qui désignait clairement la coquille comme responsable.

La surface interne d’une coquille d’œuf diffuse et réfléchit la lumière si fortement que les photons sont continuellement renvoyés dans l’œuf. Chaque point de cette surface se comporte comme une petite source secondaire, renvoyant la lumière à travers le contenu, encore et encore.

Les scientifiques parlent alors de « sphère intégrante », sur le même principe que certains instruments de laboratoire constitués de cavités aux parois réfléchissantes. Un œuf de poule, en réalité, en serait une version naturelle.

Les photons rebondissent sur près de deux mètres

Cette lumière piégée retraverse sans cesse l’intérieur, balayant tout ce que l’œuf contient avant de finir par ressortir.

“Nous avons été impressionnés par l’efficacité avec laquelle la coquille d’œuf piège les photons. Deux mètres représentent une très grande longueur de trajet, difficile à égaler avec d’autres matériaux naturels”, a déclaré Vamshi Damagatla, coauteur de l’étude et chercheur postdoctoral au Politecnico di Milano.

Parcourir deux mètres à l’intérieur d’une coquille de quatre centimètres est remarquable. La coquille renvoie environ 91 % de la lumière qui frappe sa paroi interne, maintenant ainsi les photons « en circulation » bien plus longtemps que ne le feraient la plupart des matériaux.

La lumière permet de « lire » l’œuf de l’extérieur

Comme la lumière traverse de nombreuses fois le contenu de l’œuf, elle emporte avec elle des informations sur tout ce qu’elle rencontre. Cela a permis à l’équipe d’analyser le jaune et le blanc sans jamais casser la coquille.

Le jaune, en flottant, a aussi joué un rôle utile. Placé vers le haut, il bloquait les faisceaux directs et forçait la lumière à errer dans le volume interne, à la manière du déflecteur (baffle) à l’intérieur d’une sphère intégrante de laboratoire.

Suivre huit jours de croissance

L’équipe a mesuré cinq œufs avant incubation, puis de nouveau après huit jours de chaleur. Sur cette période, l’absorption comme la diffusion de la lumière ont augmenté.

Cette hausse concorde avec les premières étapes de construction de l’embryon, lorsque le sang apparaît et que les tissus commencent à se former. Détecter ces variations depuis l’extérieur suggère une façon de suivre le développement sans nuire au poussin.

Pourquoi d’autres méthodes optiques se brouillent

Ce mécanisme de rebonds a toutefois un revers. Les chercheurs étudient deux techniques apparentées - la spectroscopie Raman et la spectroscopie de fluorescence - pour distinguer les embryons mâles et femelles à l’intérieur de l’œuf.

Or ces deux méthodes reposent sur une chronologie très précise, et la lumière piégée étale cette temporalité. Dans les essais de l’équipe, des signaux qui auraient dû apparaître instantanément se sont au contraire étendus sur plusieurs nanosecondes, un paramètre dont tout futur outil devra tenir compte.

Van den Tweel souligne que les propriétés optiques “complexes et inhabituelles” des œufs demanderont des travaux supplémentaires, avec d’autres méthodes, avant que l’équipe ne puisse “démêler” totalement les données et affiner la technique.

Une coquille façonnée par la survie

La réflectivité qui emprisonne la lumière n’est peut-être pas fortuite.

“La nature hautement diffusante de la coquille des œufs d’oiseaux pourrait avoir évolué pour protéger l’embryon des ultraviolets ou réduire la dissipation de chaleur lorsque les parents partent chercher de la nourriture”, a expliqué Damagatla.

Si cet effet se confirmait aussi aux longueurs d’onde plus longues associées à la chaleur, une coquille capable de piéger le rayonnement pourrait aider à maintenir l’embryon au chaud pendant l’absence d’un parent. L’équipe considère cela comme une question ouverte, qui mérite d’être explorée.

Les prochaines étapes de ces travaux

Le programme consiste désormais à observer comment ces effets lumineux évoluent tout au long du développement complet de l’embryon, et à mesurer séparément chaque composant de l’œuf. Un modèle informatique plus détaillé pourrait ensuite convertir les mesures en valeurs robustes concernant la fécondité et le sexe.

“Ce phénomène, jusqu’ici non observé, pourrait aider à étudier le contenu de l’œuf de manière non invasive, y compris pendant le développement embryonnaire dans des œufs fécondés et incubés, en répondant au dilemme éthique de l’élimination des poussins mâles”, a déclaré van den Tweel.

Un tel outil permettrait aux couvoirs d’évaluer un œuf bien avant l’éclosion. Pour une industrie de plus en plus sommée de mettre fin à l’élimination des mâles, cette perspective a un poids considérable.