Comment les animaux respirent-ils sous l’eau ?

Il y a des centaines de millions d’années, les ancêtres très, très lointains des humains – et de tous les animaux terrestres avec une colonne vertébrale et quatre membres – avaient cette capacité de respiration aquatique, mais elle a été perdue après que les premières créatures à respiration aérienne ont commencé à vivre sur terre à temps plein. . Aujourd’hui, les humains ne peuvent respirer que dans l’eau à l’aide d’un équipement spécial – ou dans des films comme « Aquaman » (Warner Bros. Pictures), sur des personnages de bandes dessinées dotés de capacités sous-marines uniques.

La tradition de la bande dessinée explique en quelque sorte comment l’Aquaman hybride mi-humain, mi-atlante du film (Jason Momoa) et tous ses cousins ​​atlantes d’apparence humaine peuvent respirer dans les profondeurs de l’océan – des « branchies » sont mentionnées, bien qu’elles ne soient pas visibles, et les détails sont laissés à l’imagination du spectateur. Mais comment les créatures du monde réel respirent-elles exactement dans leur environnement aquatique ? Il se trouve qu’il y a beaucoup d’oxygène dissous dans la plupart des mers, lacs et rivières de la planète, bien que nos poumons respiratoires ne puissent tout simplement pas le traiter. Mais les habitants de l’eau du monde ont développé plusieurs autres méthodes pour accéder à l’oxygène dans l’eau, ont déclaré des experts à Live Science.

Une technique ancestrale

Certains animaux comme les méduses absorbent l’oxygène de l’eau directement à travers leur peau. Une cavité gastrovasculaire à l’intérieur de leur corps a un double objectif : digérer les aliments et déplacer l’oxygène et le dioxyde de carbone, a déclaré Rebecca Helm, professeure adjointe à l’Université de Caroline du Nord, Asheville, à Live Science.

En fait, les premières formes de vie microbienne de la Terre qui utilisaient l’oxygène l’obtenaient de la même manière que les gelées – par diffusion. Cette forme de respiration est probablement apparue il y a environ 2,8 milliards d’années, « quelque temps après que les cyanobactéries ont commencé à pomper de l’oxygène dans l’atmosphère », selon l’océanologue Juli Berwald, auteur de « Spineless : The Science of Jellyfish and the Art of Growing a Backbone » (Riverhead Livres, 2017).

« Parce qu’ils n’ont qu’une couche cellulaire externe et une couche cellulaire interne et que leur intérieur est en gelée et n’a pas de cellules, ils n’ont pas besoin d’autant d’oxygène que les animaux qui ont de vrais tissus à l’intérieur », a déclaré Berwald à Live Science dans un email.

Cependant, il y a aussi des inconvénients à « respirer » par diffusion.

« C’est beaucoup plus lent que d’utiliser un système circulatoire pour apporter de l’oxygène à des endroits éloignés du corps. Cela signifie probablement qu’il y a une limite à la croissance des grosses méduses », a ajouté Berwald.

Méthode de la porte dérobée

La respiration par diffusion d’oxygène sur la surface du corps se retrouve également chez les échinodermes – un groupe d’animaux marins qui comprend les étoiles de mer, les étoiles de mer, les oursins et les concombres de mer.

Les étoiles de mer absorbent l’oxygène lorsque l’eau s’écoule sur des bosses sur leur peau appelées papules, et à travers des rainures dans d’autres structures appelées pieds tubulaires, a déclaré à Live Science le zoologiste des invertébrés Christopher Mah, chercheur au Smithsonian National Museum of Natural History à Washington, DC.

Certains types d’holothuries d’eau peu profonde, cependant, ont un type différent d’adaptation spécialisée pour la respiration : une structure « arborescente » respiratoire située dans la cavité corporelle près de l’anus. Comme l’ouverture rectale du concombre aspire l’eau dans son corps, l’arbre respiratoire extrait l’oxygène et expulse le dioxyde de carbone.

« Il respire littéralement par le cul », a déclaré Mah.

Un « plan de base »

Chez les poissons, les branchies se sont avérées être un système efficace pour la respiration, utilisant un réseau de vaisseaux sanguins pour aspirer l’oxygène de l’eau qui coule et le diffuser à travers les membranes branchiales, selon le Northeast Fisheries Science Center.

Dans la plupart des poissons, les branchies ont « le même schéma de base », a déclaré Solomon David, professeur adjoint au Département des sciences biologiques de la Nicholls State University en Louisiane, à Live Science.

« Ils sont faits pour avoir cet échange de gaz à contre-courant – extraire l’oxygène et libérer les déchets », a déclaré David. Lorsque les poissons ouvrent la bouche, ils créent un courant d’eau qui coule sur leurs branchies. Les tissus rougeâtres et hautement vascularisés aspirent l’oxygène et expulsent le dioxyde de carbone, « un peu comme les capillaires de nos alvéoles », a-t-il déclaré.

Cependant, les branchies ne sont pas exactement de taille unique. Leur structure peut varier d’une espèce à l’autre pour répondre à leurs besoins en oxygène, selon David. Les branchies d’un thon qui nage rapidement, par exemple, varieront quelque peu de celles d’un poisson qui est un prédateur qui ment et attend, comme un alligator gar.

« Si vous êtes un prédateur actif qui se déplace tout le temps, vous allez avoir des branchies différentes pour des besoins en oxygène plus élevés », a déclaré David.

La forme des branchies peut même varier entre les individus d’une même espèce, en fonction des conditions d’oxygène dans l’eau où ils vivent, a-t-il ajouté. Des études ont montré que les poissons peuvent adapter leur morphologie branchiale lorsque leur habitat aquatique est pollué ; au fil du temps, leurs filaments branchiaux deviennent plus condensés, pour résister aux contaminants dans l’eau.

Certains amphibiens aquatiques ont également des branchies – des structures ramifiées qui s’étendent vers l’extérieur de leur tête. Il s’agit d’un trait larvaire chez les amphibiens qui disparaît à mesure que la plupart des espèces mûrissent, mais les salamandres aquatiques comme les sirènes conservent ces branchies externes à l’âge adulte, a déclaré Kirsten Hecht, écologiste aquatique à l’École des ressources naturelles et de l’environnement de l’Université de Floride. un email.

Les poissons-poumons – un groupe de poissons qui respirent de l’air et de l’eau à l’aide d’une vessie natatoire modifiée – ont également des branchies externes lorsqu’ils sont jeunes, « mais presque toutes les espèces de poissons-poumons les perdent avant d’atteindre l’âge adulte », a déclaré Hecht.