La plongée chez les cétacés, leurs secrets dévoilés

« Les espèces qui survivent ne sont pas les espèces les plus fortes, ni les plus intelligentes, mais celles qui s’adaptent le mieux aux changements. » (Charles Darwin, XIXe)

Illustration Jean-Michel BOMPAR, le « réseau admirable » (ou Rete mirabile)

S’adapter au milieu aquatique

Les adaptations des animaux aquatiques aux contraintes de la vie dans l’élément liquide sont extrêmement impressionnantes. Elles sont de trois types : physiologiques, anatomiques et comportementales

Les cétacés ont su se détacher de tous les impératifs terrestres et assument l’ensemble des fonctions vitales, y compris la reproduction, dans l’élément liquide. Cette évolution s’est faite au prix de profondes modifications anatomiques et physiologiques. Ces modifications sont à la base de l’apparence externe si typique des cétacés et de certaines de leurs capacités incomparables. Et parmi elles, intéressons-nous de plus près à la plongée…

Des prouesses records

Quel plongeur n’a pas rêvé, ne serait que quelques heures, d’être un cétacé ? 

Dans le domaine de la plongée, les adaptations et les capacités des cétacés sont particulièrement remarquables, il n’y a qu’à voir pour cela le dernier record de plongée enregistré en 2017 chez une baleine à bec de cuvier : 3h42 d’apnée ! Espèce détenant également les records de profondeur avec des apnées enregistrées à près de 3000 mètres sous l’eau.

Pour comprendre comment les cétacés en sont arrivés à de telles prouesses, il est nécessaire de faire quelques parallèles avec le mammifère terrestre le mieux connu dans ce domaine : Nous !

Là où l’Homme est limité, les cétacés excellent

L’air que nous respirons est composé d’environ 79 % d’azote et de 20 % d’oxygène. Une multitude de gaz se partage le 1 % restant.

Quand nous inspirons, l’air pénètre dans nos poumons. Une faible proportion se dissout dans le sang tandis qu’une bonne partie de l’oxygène se fixe sur l’hémoglobine des globules rouges pour être transportée vers l’ensemble des cellules de nos organes.

Au niveau cellulaire, l’oxygène est consommé et aboutit à la production de dioxyde de carbone (CO2). Celui-ci, ensuite ramené aux poumons, est rejeté lors de l’expiration. Ouf !

Lorsque nous pratiquons une apnée, que se passe-t-il ? Nous consommons les réserves d’oxygène accumulées dans l’hémoglobine sanguine et la myoglobine musculaire. Mais ces réserves sont très faibles et chutent rapidement. En dessous d’un certain seuil, le fonctionnement correct de nos cellules n’est plus assuré. Ce déficit est particulièrement ressenti au niveau du cerveau et provoque une perte de connaissance connue en plongée humaine dans les accidents baptisés « syncope hypoxique ».

Mais qui dit consommation d’oxygène dit aussi production de dioxyde de carbone, le principal stimulus de la respiration. Son taux sanguin augmente au cours de l’apnée jusqu’à provoquer une envie insurmontable de respirer. C’est ce qui conduit à la noyade si le sujet n’a pas la possibilité de regagner la surface à temps.

Afin de remédier à ces deux contraintes, l’Homme s’est doté d’appareils respiratoires lui assurant un apport permanent d’oxygène et l’élimination du dioxyde de carbone. Mais, en général, l’air comprimé dans les bouteilles est le même que celui respiré (79 % d’azote). Ce gaz est inutilisé par notre organisme et se contente d’entrer et sortir de nos poumons au rythme de notre respiration. Cependant en plongée, avec l’augmentation de la pression, l’azote inhalé (pour ce qui concerne les plongeurs en bouteille) ou stocké (pour ce qui concerne les apnéistes qui remplissent leurs poumons de plusieurs litres d’air avant de plonger) se dissout dans notre corps. Et la quantité dissoute sera d’autant plus importante que la profondeur (donc la pression) et la durée d’immersion seront grandes. Celui qui ne respecte pas, en fin de plongée,

les protocoles très stricts de remontée (vitesse, paliers, etc.) ne laissera pas à l’azote le temps nécessaire à son évacuation respiratoire. Il va se former des bulles dans le sang et divers organes un peu comme il s’en forme lors de l’ouverture brutale d’une bouteille de boisson gazeuse. Ces incidents et accidents connus sous le terme « d’accident de décompression » peuvent être fatals.

Mais alors comment font les cétacés pour surmonter tous ces problèmes ?

Pour l’oxygène, deux adaptations ont permis de pallier ces problèmes :  

🡪 1) L’augmentation considérable des réserves, grâce notamment à des taux de myoglobine musculaire extrêmement élevés, un volume sanguin proportionnellement plus grand (7 % du poids du corps chez l’Homme contre 12 à 15 % chez les dauphins) et des globules rouges, ces réservoirs transporteurs, plus gros.

🡪 2) Pendant la plongée, la consommation globale d’oxygène est diminuée et limitée à quelques organes vitaux (cerveau, cœur, etc.) grâce à des circulations préférentielles isolant temporairement certains secteurs moins essentiels (appareil digestif, os, peau, etc.). Ayant juste besoin d’assurer un débit sanguin minimum nécessaire au seul fonctionnement des organes vitaux, le seul muscle vital, à savoir le cœur, se met en bradycardie et diminue du même coup sa propre consommation d’oxygène.

Par ailleurs, les cétacés ont développé des capacités de stockage du dioxyde de carbone plus performantes que chez les autres mammifères et semblent particulièrement résistants au stimulus respiratoire qu’il représente.

Au niveau micro-circulatoire, les échanges gazeux entre les compartiments pulmonaire et vasculaire, puis vasculaire et cellulaire, sont aussi optimisés par des adaptations physio-anatomiques complexes. 

Et pour faire face au problème de l’azote, qu’ont-ils bien pu « inventer » ? 

Eh bien, contrairement à l’Homme, un cétacé qui plonge emporte relativement peu d’air (et donc d’azote) dans ses poumons. De plus, au cours de plongées profondes, l’air est cantonné dans l’espace non vascularisé du tractus respiratoire. Ce phénomène se produit de manière purement mécanique lorsque la pression exercée sur les poumons provoque un déplacement des gaz vers le tractus respiratoire très rigide. 

Autre astuce, l’azote ayant une assez forte affinité pour les graisses serait en partie fixé dans les minuscules gouttelettes lipidiques présentes dans le tractus respiratoire et rejetées au retour en surface lors du premier souffle.

Toutes ces adaptations combinées permettent aux cétacés de s’affranchir de la fastidieuse corvée des paliers, et leur autorise des vitesses de remontée pouvant dépasser les 120 m/mn. 

Et la pression ? 

Quelques modifications physio-anatomiques ont complété les procédés d’adaptation à la plongée.

La présence d’articulations chondro-costales, vertébro-costales et sterno-costales, combinée à une orientation très oblique du diaphragme, autorise une déformation très importante de la cage thoracique. De plus, près de la moitié des côtes thoraciques sont des côtes flottantes non rattachées au sternum. Des photographies de dauphins évoluant en profondeur montrent des animaux incroyablement déformés, dont la cage thoracique a parfois perdu près de la moitié de son volume.

De manière concomitante, au cours de l’apnée, le sang qui est exclu des organes non-vitaux est stocké dans le réseau admirable ou Rete mirabile (photo). Ce réseau tapisse notamment la paroi interne de la cage thoracique. Une partie de ce sang irait aussi vers les poumons, une manière de compenser la dépression intra-thoracique lorsque la limite de déformation de la cage thoracique est atteinte.

Record de plongée : https://journals.biologists.com/jeb/article/223/18/jeb222109/225819/Extreme-diving-in-mammals-first-estimates-of

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