Les oiseaux sont des animaux très occupés. Pensez aux gobe-mouches qui chassent les insectes, aux oiseaux de rivage qui volent loin et aux colibris qui font du surplace, et vous aurez une idée de l’activité des oiseaux. C’est pourquoi ils favorisent les aliments à haute énergie et ont des taux métaboliques élevés qui exigent des niveaux d’oxygène énormes.
Le système respiratoire des mammifères est terriblement inadéquat pour fournir les quantités d’oxygène dont les oiseaux ont besoin.
Chez les humains, par exemple, un tube appelé trachée relie notre nez et l’arrière de la bouche à nos poumons. La trachée se divise en deux bronches primaires qui entrent dans les poumons, où elles se divisent en bronches secondaires, qui se ramifient à leur tour en bronches tertiaires. Celles-ci donnent naissance à de petits tubes appelés bronchioles, qui se terminent par des grappes à parois fines, semblables à des grains de raisin, appelées alvéoles (en bas à gauche sur le schéma ci-dessus). Entourées de réseaux capillaires, les alvéoles sont le lieu des échanges gazeux. En raison des différences de pression, l’oxygène diffuse des alvéoles vers les capillaires sanguins, et le dioxyde de carbone diffuse des capillaires sanguins vers les alvéoles.
La nature en cul-de-sac de nos poumons signifie que l’air circule normalement dans deux directions – c’est-à-dire de nos narines vers les alvéoles en passant par la trachée et en revenant par les mêmes conduits. Il s’ensuit que le premier air inspiré dans les alvéoles est excédentaire et vicié, car il a cédé la majeure partie de son oxygène avant la dernière expiration. Le flux d’air bidirectionnel est donc inefficace.
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Un système plus efficace
Les oiseaux emploient un système plus efficace, celui dans lequel des sacs aériens à parois minces sont reliés aux poumons. Comme le montre l’illustration du cardinal, les sacs aériens remplissent la cavité corporelle. Ils ne participent pas directement aux échanges gazeux mais fonctionnent comme des soufflets pour diriger le flux d’air dans les poumons dans une seule direction, de l’arrière vers l’avant. Cela augmente l’efficacité des poumons.
Une autre différence majeure entre les mammifères et les oiseaux est que les alvéoles en forme de raisin sont remplacées par des structures tubulaires à parois fines appelées parabronchi (en bas à droite sur le schéma). Comme les alvéoles humaines, les parabronchi aviaires sont recouverts d’une riche réserve de capillaires et sont les sites d’échange gazeux. Les parabronchi sont situés dans l’ensemble des poumons, entre les bronches secondaires. De même que l’air se déplace dans un sens à travers les poumons, il circule également dans un sens à travers les parabronches, d’une bronche secondaire à l’autre.
Le génie des sacs aériens est qu’ils permettent un flux continu et unidirectionnel à la fois pendant l’inspiration et l’expiration. Les sacs aériens sont disposés en deux groupes : l’un provenant de l’avant des poumons (antérieur) et l’autre de l’arrière des poumons (postérieur). Voici comment le système fonctionne :
Lors de l’inspiration, les sacs aériens postérieurs se dilatent, entraînant l’air dans les bronches primaires, qui se terminent près de l’extrémité des poumons. Alors qu’une partie de l’air est détournée par les bronches secondaires près de l’arrière des poumons et dans les parabronches, la plus grande partie passe directement dans le groupe postérieur de sacs aériens. Dans le même temps, les sacs aériens antérieurs se dilatent, entraînant l’air des parabronches dans les bronches secondaires. Cela crée le flux unidirectionnel d’arrière en avant à travers les poumons.
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Flux unidirectionnel
Lors de l’expiration, les sacs aériens se contractent, forçant l’air des deux groupes de sacs aériens. L’air des sacs aériens postérieurs passe par les parabronches, tandis que l’air des sacs aériens antérieurs passe dans les bronches primaires et la trachée, puis sort du corps. Il reste un peu d’air vicié dans le système, mais pas assez pour nuire de manière significative à l’efficacité globale. Remarquez que pendant l’inspiration et l’expiration, l’air circule dans un sens à travers les parabronches.
Les oiseaux respirent différemment des mammifères car ils n’ont pas de diaphragme. Ils font entrer et sortir l’air de leurs poumons et de leurs sacs aériens au moyen de muscles spéciaux qui déplacent les côtes et le sternum vers le bas et l’avant, ce qui dilate la cavité corporelle et provoque l’inspiration, puis vers le haut et l’arrière, ce qui contracte la cavité corporelle et provoque l’expiration.
La thermorégulation est une autre fonction essentielle des sacs aériens. Le haut niveau d’activité aviaire génère une chaleur excessive qui doit être dissipée. Les oiseaux sont cependant dépourvus des glandes sudoripares dissipatrices de chaleur que nous possédons.
Rappelons que les glandes sudoripares refroidissent en produisant une sécrétion salée qui s’évapore de la peau. La chaleur nécessaire pour transformer la sueur d’un liquide en vapeur provient de la peau, ce qui la refroidit. Les oiseaux changent l’eau en vapeur de manière similaire dans les sacs aériens, sauf que la chaleur nécessaire pour vaporiser l’eau provient des organes et des tissus entourant les sacs aériens.
Un système respiratoire finement réglé qui déplace l’air dans une seule direction permet le haut niveau d’activité des oiseaux. Et les sacs aériens aident à réguler la température en fournissant un mécanisme pour dissiper l’excès de chaleur corporelle. Ce système est un autre exemple de l’étonnante biologie des oiseaux.
Cet article de la chronique « Amazing Birds » d’Eldon Greij est paru dans le numéro de mars/avril 2014 de BirdWatching.