Des modèles de vision aviaire et des expériences sur le terrain déterminent la valeur de survie du camouflage de la mite poivrée

Photographie de la collection du musée

Des photographies de spécimens de mites poivrées (Biston betularia) étaient nécessaires pour l’analyse d’images numériques. Les données photographiques ont été obtenues auprès de trois musées du sud de l’Angleterre : Le Bristol Museum and Art Gallery, l’Exeter Ark du Royal Albert Memorial Museum and Art Gallery, et le Oxford University Museum of Natural History. Les collections d’Oxford sont remarquables car elles contiennent les spécimens collectés par Kettlewell pour ses expériences originales de prédation et de reproduction des oiseaux. L’accès aux tiroirs de spécimens a été autorisé afin de sélectionner les formes typica et carbonaria les plus intactes des deux sexes pour l’échantillonnage, la sélection étant basée sur la complétude des ailes. En raison de l’âge et de la fragilité de ces spécimens, le soin apporté à la manipulation des insectes épinglés était primordial.

Nous avons utilisé un appareil photo reflex numérique Nikon D7000 qui avait préalablement subi une conversion au quartz (Advanced Camera Services Limited, Norfolk, UK) en remplaçant le filtre UV interne par une feuille de quartz transparente, conformément aux études précédentes22,48. Cela a permis d’obtenir une sensibilité spectrale complète dans tout le spectre aviaire-visible. Un objectif interchangeable CoastalOpt 105 mm UV Macro APO a été fixé. Les photographies dans le spectre visible humain ont été prises avec un filtre bloquant UV-IR de Baader (transmettant 400-700 nm) et les photographies dans l’ultraviolet (UV) ont été prises avec un filtre passe UV de Baader (transmettant 315-400 nm)23. Toutes les images ont été prises au format RAW. Une zone dans les collections a été sélectionnée avec une quantité minimale de lumière naturelle et artificielle afin de ne pas interférer avec l’équipement d’éclairage, qui consistait en une lampe à arc Iwasaki EYE Colour connectée à un ballast Ventronic, monté sur un support d’éclairage photographique PhotxPro avec un parapluie Elinchrom attaché. On a laissé la lampe à arc se réchauffer pendant 15 minutes pour permettre à l’ampoule d’atteindre au moins 90 % de son rendement lumineux maximal. Avant l’utilisation, le filtre anti-UV appliqué sur la lampe à arc a été retiré à l’aide d’une brosse en acier afin de permettre un spectre complet de longueurs d’onde. Une feuille cylindrique de PTFE a été placée autour de l’ampoule, ou autour du ou des spécimens à photographier s’ils sont accessibles, pour diffuser uniformément la lumière.

Si nécessaire, un papillon de nuit a été retiré du tiroir à spécimens et épinglé sur un fond en mousse gris neutre. Un maximum de trois spécimens par cliché a été photographié pour s’assurer qu’ils étaient tous de taille uniforme et que les ailes ne sortaient pas du cadre. Pour éliminer tout effet de la variabilité de l’éclairage, un étalon de réflectance clair (95%) et foncé (5%) (Labsphere, Congleton, UK) a été inclus ainsi qu’une barre d’échelle positionnée sur le côté le plus proche des spécimens. L’appareil photo a été positionné directement au-dessus en utilisant soit un support de copie, soit un trépied avec une tête flexible, avant d’être mis au point pour obtenir une netteté optimale. Le temps d’exposition a été sélectionné en fonction de l’utilisation du filtre visible ou UV et optimisé pour une exposition correcte et pour éviter la saturation49. Une télécommande de l’obturateur de l’appareil photo a été utilisée pour minimiser les bruits ou les mouvements inutiles.

Analyse du camouflage du fond naturel de repos

Le camouflage cryptique entre le papillon de nuit poivré et ses fonds naturels de repos a été exploré en modélisant la vision aviaire pour comparer les contrastes chromatiques et achromatiques. Des forêts situées dans des zones faiblement polluées ont été visitées afin d’obtenir des photographies in situ de l’écorce d’un arbre ordinaire et des photos d’écorce présentant un lichen crustacé. Les chênes (Quercus robar) et les frênes (Fraxinus excelsior) ont été choisis en fonction de leur capacité à servir de lieux de repos naturels, comme l’ont montré des expériences antérieures sur la mite poivrée21,28. La sélection des espèces de lichen crustacé, Lecidella elaeochroma et Graphis scripta, par opposition au lichen foliacé, s’est appuyée sur des travaux antérieurs4,21,45, et parce que les expériences précédentes montrent que le lichen crustacé est le plus souvent situé sur les troncs d’arbres et les côtés inférieurs des branches principales28, qui sont les lieux de repos naturels les plus fréquentés par la mite poivrée11. Les preuves contre l’utilisation du lichen foliacé sont étayées par les populations ancestrales trouvées sur les branches supérieures, alors que les lichens crustacés prospèrent sous les branches dans des endroits non pollués4. 130 arbres individuels ont été sélectionnés en fonction de l’adéquation décrite précédemment, en photographiant 65 spécimens d’écorce ordinaire et 65 spécimens d’écorce couverte de lichen sous une lumière neutre pendant la journée, en utilisant le même appareil photo Nikon D7000 et les mêmes objectifs que pour la collection de spécimens du musée. Une norme de réflectance claire et sombre et une barre d’échelle ont été positionnées sur chaque photographie pour corriger l’échelle et toute différence d’éclairage rencontrée lors de l’analyse des images.

Pour préparer les images pour l’analyse, chaque photo a été convertie en une image multispectrale en utilisant le logiciel en accès libre ImageJ50 avec le plugin Image Calibration and Analysis Toolbox23. Une image RAW dans l’UV et le visible a été sélectionnée pour chaque spécimen, et filtrée au préalable pour vérifier l’absence de surexposition. Les normes de réflectance claires et sombres ont été sélectionnées individuellement pour normaliser les canaux et tenir compte des variations potentielles des conditions de lumière49. Un alignement manuel a ensuite été effectué sur les canaux RVB et UV visibles de la pile 32 bits de l’image multispectrale pour obtenir des mesures de couleur précises. Pour chaque échantillon des deux types d’arrière-plan différents, une seule morphologie de papillon de nuit typica ou carbonaria a été comparée une fois par sélection aléatoire, afin de déterminer le contraste de couleur et de luminance (luminosité) entre le papillon de nuit et son arrière-plan.

Pour modéliser la vision des prédateurs aviaires, la mésange bleue (Cyanistes caeruleus) a été choisie parce que des études antérieures ont montré qu’elle s’attaquait à la mite poivrée10,11, que son comportement de recherche de nourriture peut être affecté par des signaux UV51 et que, de manière générale, son système visuel est représentatif de nombreux passereaux supérieurs19,52. Nous avons d’abord utilisé une méthode bien établie pour convertir les images calibrées de la caméra en espace couleur animal (données de réponse conique prédite) en utilisant une technique de cartographie polynomiale23,49,53 dans des conditions d’éclairage D65 (lumière du jour). Cette méthode est très précise dans la génération des données de réponse des cônes par rapport à la modélisation utilisant les spectres de réflectance23,54,55. Bien que nous aurions pu utiliser un spectre d’irradiation différent (comme une ombre forestière verte), cela n’aurait pas affecté les résultats pour plusieurs raisons. Tout d’abord, la forêt n’est en fait pas une ombre continue mais des parcelles d’arbres et des clairières, et donc un mélange de ciel ouvert et d’éclairage d’ombre forestière. De plus, les vrais papillons de nuit et les modèles utilisés ici seraient en fait exposés à une gamme de conditions lumineuses associées à l’heure de la journée, à la profondeur de la couverture forestière/végétale et aux conditions météorologiques. En outre, comme la plupart des autres modélisations visuelles, nous tenons compte du processus de constance des couleurs, via la transformation dite de von Kries56,57, et en tant que tel, l’utilisation d’un spectre d’irradiation différent s’est avérée avoir peu d’effet sur les valeurs prédites de capture des cônes57,58. Enfin, pour démontrer pleinement que notre modélisation est robuste pour l’éclairage, nous avons comparé les valeurs prédites de capture de cônes pour 16 papillons (huit typica et huit carbonaria) sous des spectres d’irradiation D65 et d’ombre forestière. Comme prévu, les résultats sont restés inchangés, avec des valeurs de capture de cônes moyennes et de déviation standard comme suit : double (forêt = 0,22 ± 0,13, D65 = 0,21 ± 0,13), ondes longues (forêt = 0,27 ± 0.15, D65 = 0,27 ± 0,15), ondes moyennes (forêt = 0,20 ± 0,13, D65 = 0,20 ± 0,13), ondes courtes (forêt = 0,14 ± 0,10, D65 = 0,14 ± 0,10), ultraviolet (forêt = 0,08 ± 0,06, D65 = 0,07 ± 0,06). Dans tous les cas, il existe une corrélation très forte et significative entre les valeurs de capture de cônes dans les deux conditions de lumière (tests de corrélation de rang de Spearman entre la forêt et D65 pour tous les récepteurs : p < 0.0001, r > 0,988).

La discrimination visuelle (niveau de camouflage) a été évaluée selon le modèle de discrimination sonore des récepteurs de Vorobyev et Osorio, largement utilisé24. Sur la base d’une évaluation détaillée récente des estimations du bruit des récepteurs59, une fraction de Weber de 0,1 a été choisie pour la discrimination des couleurs avec des ratios de photorécepteurs à cône unique (UV, ondes courtes, ondes moyennes, ondes longues) de 1,00 : 1,92 : 2,68 : 2,70, respectivement60, tandis qu’une fraction de Weber de 0,2 a été utilisée pour la luminance. Pour quantifier la discrimination, les valeurs JND ont été calculées à la fois pour la couleur et le contraste achromatique (luminance). Les calculs de JND pour ce dernier sont basés sur les doubles cônes, et représentent la discrimination de deux spectres l’un par rapport à l’autre en supposant que la discrimination visuelle est limitée par le bruit des récepteurs24,61. Une valeur JND de 1,00 est prise comme seuil de discrimination pour les oiseaux, où JND < 1,00 indique que deux objets ne peuvent pas être distingués même dans des conditions d’observation optimales, et lorsque les valeurs augmentent > 1,00, cela dénote un contraste croissant et des différences plus importantes dans la capacité de distinction62.

Création de cibles artificielles pour les expériences de prédation

Les cibles artificielles de papillons de nuit pour les expériences de prédation aviaire ont suivi un large éventail d’expériences passées utilisant des cibles similaires basées soit sur des fonds naturels, soit conçues pour imiter des espèces réelles25,26,29,63. Les cibles ont été créées à l’aide d’images multispectrales générées à partir des photographies de spécimens de papillons de nuit du musée. Comme pour une série de travaux antérieurs, les images ont été converties aux captures de photons prévues pour la vision de la mésange bleue, dans des conditions d’éclairage D65, puis la sortie d’une imprimante a été calibrée dans un processus itératif25,31,33 de sorte que les couleurs de l’image (valeurs des pixels) convergent pour correspondre exactement aux véritables papillons de nuit en termes de vision des oiseaux lors de la reproduction. La correspondance pour chaque cible imprimée était une valeur JND < 1,00, indiquant l’indiscernabilité d’un vrai papillon de nuit25,63. En général, la plupart des travaux antérieurs ont eu tendance, par exemple, à simplement faire correspondre l’apparence des ailes de la cible à la couleur moyenne (en captures de photons) du substrat (par exemple, l’écorce de l’arbre26,64). Les travaux antérieurs qui ont fait correspondre des proies artificielles à des modèles de lépidoptères ont également eu tendance à s’assurer que les correspondances de couleur étaient basées sur des cibles se situant dans la gamme des valeurs de capture de photons du modèle animal réel25. Notre travail suit de plus près d’autres travaux récents sur la coloration des papillons63,65, qui utilisaient un modèle de discrimination visuelle pour créer des correspondances avec les vrais papillons, les correspondances étant choisies lorsque les couleurs tombaient dans la fourchette de 1 à 3 JND. Notre approche est en fait encore plus détaillée dans la mesure où, contrairement aux études précédentes, nous n’avons pas créé toutes les cibles par traitement comme étant identiques et correspondant simplement à une coloration moyenne du modèle, mais nous avons plutôt inclus la variation individuelle en faisant correspondre différentes cibles individuelles à 100 modèles individuels uniques de papillons de nuit (voir ci-dessous). Par conséquent, notre travail est robuste en tenant compte à la fois de la variation individuelle et en fixant des critères rigoureux, selon lesquels les modèles n’ont été générés que lorsque les correspondances de couleur et de luminance avec les spécimens réels étaient à moins de 1,00 JND.

Une fois que 50 individus de chacun des deux morphes (n = 100) ont été correctement calibrés, ils ont été mis à l’échelle pour s’assurer que leur taille correspondait précisément aux papillons de nuit poivrés réels ; chaque aile ayant, en moyenne, une surface de 221 mm2. Les spécimens ont été imprimés à l’aide d’une HP LaserJet Enterprise 500 Colour M551 sur du papier filtre Whatman n° 1 de 12,5 cm collé sur du papier ordinaire A4. Nous avons utilisé du papier filtre pour imprimer les cibles car, contrairement au papier d’imprimante normal, il reflète la lumière ultraviolette et nous a permis de faire correspondre la réflectance UV des papillons de nuit typiques, même si l’encre d’imprimante est incapable d’imprimer les UV elle-même63. Les ailes artificielles ont été rendues imperméables à l’aide de la peinture acrylique en spray Plasti-Kote Matt Clear, qui permettait la transmission / réflexion des UV.

Un corps comestible a été fabriqué en pâtisserie, qui s’est avéré dans diverses expériences antérieures être une mesure sûre, comestible et efficace des taux de prédation des oiseaux, y compris lorsqu’il est attaché à des cibles en papier27,66. Conformément aux protocoles antérieurs, le saindoux et la farine ordinaire ont été mélangés dans un rapport de 1:3, avant d’ajouter cinq gouttes de colorant alimentaire noir pour les morphes carbonaria, ou une combinaison d’environ une goutte rouge, une bleue, trois jaunes et une noire pour les morphes typiques. Le colorant alimentaire blanc a été utilisé pour ajouter des motifs aux corps des typica. La pâte a été roulée en corps de 12 × 5 × 2 mm, attachée aux ailes artificielles à l’aide d’une épingle à panneau de 20 mm insérée au centre du corps en pâte, et laissée toute la nuit au congélateur pour durcir.

La création des corps comestibles pour les cibles a été quelque peu contrainte à la fois par les colorants alimentaires disponibles et par l’objectif de faire correspondre simultanément la couleur et la luminance. Nous avons calculé, à l’aide des méthodes ci-dessus et de la modélisation visuelle, les contrastes de couleur et de luminance de quinze corps pâtissiers, de chaque morphologie, par rapport aux papillons de nuit eux-mêmes et à des fonds naturels au repos. Pour la luminance, les résultats des corps par rapport aux papillons sont : carbonaria (JND moyen plus erreur standard : 3,838 ± 0,733) et typica (3,809 ± 0,731). Pour la couleur, les correspondances étaient : carbonaria (16,106 ± 1,477) et typica (4,991 ± 0,641). Les comparaisons des corps aux fonds naturels respectifs pour la luminance étaient : carbonaria (3,773 ± 0,348) et typica (1,660 ± 0,309). Pour la couleur, les comparaisons étaient : carbonaria (13,721 ± 1,328) et typica (2,783 ± 0,148). Par conséquent, les résultats montrent que la distinction des corps est relativement faible, tant pour les papillons que pour les fonds, à l’exception de carbonaria pour la couleur. Cependant, cette différence est très peu susceptible d’expliquer nos résultats de survie pour de multiples raisons (voir Discussion).

Expériences de prédation artificielle

Des cibles artificielles de papillons de nuit modélisées aux systèmes visuels aviaires ont été utilisées comme proxy pour les papillons de nuit poivrés afin de déterminer le taux de survie des morphes à travers une expérience de prédation sur le terrain. Cette approche est bien testée et suit de près une série de travaux antérieurs25,26,27,29,30,31,32,33,34,63,64,65. La collecte de données a été effectuée en juin 2017 pour coïncider avec l’émergence de la mite poivrée entre mai et août 2017. Dix sites au sein de forêts mixtes à feuilles caduques dans des zones peu polluées du sud de l’Angleterre ont été sélectionnés en fonction de la disponibilité du lichen crustacé. En Cornouailles, il s’agissait de Argal Reservoir, Penryn (50°9′11ʺ N, 5°8′11ʺ W), Lady’s Wood, Truro (50°17′24.2ʺ N, 5°3′42.2ʺ W), St Clement Wood, Truro (50°17′29.2ʺ N, 5°3′16.1ʺ W), Kennall Vale, Ponsanooth (50°11′42.3ʺ N, 5°8′59.1ʺ W), et Devichoys Wood, Truro (50°15′17.5ʺ N, 5°3′23.6ʺ W). Dans le Hampshire, Holybourne Down, Alton (51°10′46,6ʺ N, 0°56′52,3ʺ W) et Chawton Park Wood, Alton (51°7′31,1ʺ N, 1°1′52,4ʺ W) ont été visités. L’expérience a suivi un plan en blocs aléatoires26 de 500 échantillons répartis sur dix blocs le long d’un transect non linéaire d’une longueur de 1-1,5 km. Dans chaque bloc se trouvaient 25 répliques de chaque traitement – 50 cibles au total. Celles-ci ont été épinglées à une hauteur de 1,7 m sur un arbre unique possédant du lichen, à une distance d’au moins 10 m les unes des autres. Si un arbre n’avait pas de lichen crustacé à cette hauteur, on marchait 1 m de plus le long du transect jusqu’à ce qu’on trouve un arbre convenable, puis on passait à l’arbre suivant à 10 m de distance. Les papillons de nuit ont été choisis au hasard dans un sac, pour éviter tout biais de sélection, et épinglés sur les troncs et sous les branches, car il a été démontré que ces zones sont les lieux de repos naturels les plus fréquentés par le papillon de nuit11. Les cibles ont été fixées dans des orientations à 20° du plan horizontal, car il s’agit d’un comportement naturel chez les papillons géométriques41 (Fig. 3). De plus, les cibles ont été fixées au centre de la tache de lichen à échantillonner. Bien qu’il puisse y avoir un risque de biais inconscient dans cette expérience et dans d’autres expériences similaires antérieures, nous pensons que les procédures utilisées ici rendent ce risque improbable. Chaque transect a été contrôlé à trois intervalles de temps : 6, 24 et 48 heures. A chaque intervalle, tous les papillons ont été visités pour déterminer si une prédation, ou un autre résultat, avait eu lieu. Les résultats ont été censurés, la valeur 1 représentant la prédation par les oiseaux, ou la valeur 0 si la mite artificielle avait survécu jusqu’à 48 h, était manquante, ou si un autre incident s’était produit, comme la prédation par une limace (identifiée par les traces de bave26). La prédation par les oiseaux était évidente si la cible artificielle présentait des déchirures sur >50 % du corps19,46 et/ou si les ailes étaient entièrement ou partiellement enlevées. Comme souligné dans des études antérieures64, le processus d’enregistrement des événements de prédation avec un tel nombre de cibles n’est pas pratique, et d’ailleurs des expériences comme la nôtre ici ont été validées à de multiples occasions. D’autres études sur les proies artificielles ont également déduit la prédation aviaire à partir de marques faites sur des corps en argile63. La forêt utilisée dans cette expérience est comparable à celle d’autres études, qui comprenaient des informations sur les espèces présentes et observées comme prenant des proies, notamment : les mésanges bleues (Cyanistes caeruleus), les mésanges charbonnières (Parus major), les merles européens (Erithacus rubecula), les pinsoniens (Fringilla coelebs), les merles noirs (Turdus merula) et les moineaux domestiques (Passer domesticus)32,64. En outre, des observations directes d’oiseaux attaquant des mites poivrées vivantes et épinglées ont été réalisées dans des études antérieures6,11.

Analyse statistique

Les statistiques d’analyse des images ont été entreprises à l’aide du logiciel à accès libre R (v.3.4.0)67. Un modèle linéaire généralisé a été réalisé sur les JND de couleur et de luminance, avec le type de fond comme variable de réponse et la morphologie comme variable explicative. Les résidus du modèle ont été vérifiés pour les hypothèses d’homogénéité de la variance et d’une distribution normale, pour laquelle les données de JND de couleur pour l’écorce et le lichen ont nécessité une transformation logarithmique pour corriger l’asymétrie. Pour l’expérience sur le terrain, une analyse non paramétrique de la distribution (censure à droite) a été réalisée à l’aide du logiciel statistique Minitab 1868 avec une estimation de Kaplan-Meier pour mesurer les probabilités de survie, ainsi qu’une comparaison des courbes de survie à l’aide du test log-rank69,70 sur le traitement des facteurs. Une analyse non paramétrique a été réalisée car les données de survie ne suivent fréquemment pas une distribution donnée pré-spécifiée. Tous les niveaux de signification ont été fixés à α = 0,05.

Disponibilité des données

Les données rapportées dans cet article sont disponibles dans les Données supplémentaires 1.