L’ingénieuse thermorégulation des mammifères marins

Les mammifères marins peuplent tous les océans du globe, y compris les plus froids. La température des eaux océaniques polaires peut descendre jusqu’à environ -2 °C, mais même les eaux tempérées ou tropicales peuvent s’avérer glaciales. En effet, dans les profondeurs, leur température peut descendre jusqu’à -1 °C. Pourtant, les mammifères marins semblent très bien s’accommoder de ces températures, grâce à leur système de thermorégulation très sophistiqué.

Pourquoi est-il plus difficile de maintenir une température corporelle constante dans l’eau ?

Tout comme les mammifères terrestres (dont les hommes), les mammifères marins doivent maintenir une température corporelle interne constante, quel que soit leur environnement. Cependant, l’eau évacue la chaleur du corps 24,5 fois plus vite que l’air, raison pour laquelle nous avons plus froid dans l’eau et que nous pouvons tolérer des températures plus froides dans l’air que dans l’eau. Ce phénomène physique fait de la perte de chaleur un enjeu majeur pour tout mammifère passant du temps dans l’eau.

Afin de réduire la perte de chaleur, les mammifères marins se sont adaptés de plusieurs manières, notamment en réduisant le rapport surface/volume de leur corps, en utilisant leur épaisse couche de graisse comme isolant et en retenant la chaleur par un échange thermique à contre-courant.

Parlons chiffres : pour la thermorégulation, la taille compte !

La première façon de réduire la perte de chaleur pour les mammifères marins est de posséder une faible surface de peau par rapport à leur volume corporel total. Si vous envisagez une baleine sous sa forme sphérique, vous vous rendez compte que si vous augmentez sa taille, son volume augmentera considérablement plus vite par rapport à sa surface.

L’échange de chaleur avec l’environnement se faisant au niveau de la peau (c’est-à-dire de la surface), il est crucial que la surface de la peau soit inversement proportionnelle à la quantité de tissu corporel de l’animal. C’est d’autant plus important que ce sont ces tissus corporels qui génèrent la chaleur des animaux par le biais de processus biologiques.

Cette caractéristique physique permet aux mammifères marins d’avoir la plus petite surface relative qui entre en contact avec l’eau, réduisant ainsi la quantité d’échange de chaleur. Par ailleurs, ils profitent de ne pas avoir à se soucier des problèmes de gravité dans l’eau pour engraisser à leur guise.

Du gras à profusion pour la meilleure thermorégulation

Les mammifères marins se fient également à leur lard épais pour isoler leur corps dans l’eau froide. Le lard est une épaisse couche de tissu adipeux dont la conductivité thermique demeure relativement faible. Ceci implique que le lard ne transfère pas la chaleur comme le font d’autres tissus, comme les muscles ou la peau.

Ensuite, par conduction, la couche de peau la plus externe est refroidie à la même température que l’eau environnante, ce qui réduit encore la perte de chaleur.

L’épaisseur de la couche de graisse varie selon les espèces et la période de l’année : les baleines franches et les baleines boréales possèdent une couche de graisse pouvant atteindre 50 centimètres d’épaisseur à la fin de la saison d’alimentation.

En revanche, une baleine à bosse possèdera une couche de graisse de seulement 15 centimètres d’épaisseur, à la fin de la saison de reproduction dans les eaux chaudes et avant de retrouver les eaux froides pour la saison d’alimentation.

La flottabilité liée à l’épaisseur de la couche de lard

Une couche de lard plus épaisse améliore la flottabilité de certaines espèces. Ceci est bien utile pour les mammifères marins qui doivent toujours revenir à la surface de l’eau pour respirer. Leur épaisse couche de gras les aide à remonter plus facilement, en leur évitant des efforts trop importants qui consomment de l’énergie, donc de précieuses calories.

C’est notamment le cas de la baleine franche et c’est ce qui lui a valu son nom. En anglais, la baleine franche se dit « right whale ». Right signifie correct ou bon. À l’époque de la chasse, ce type de baleine était considéré comme la « bonne » baleine à chasser, car, une fois morte, son épaisse couche de lard l’empêchait de couler et facilitait sa capture.

La thermorégulation grâce à l’absence de nageoire dorsale prononcée

Les baleines et cétacés que l’on trouve souvent dans les eaux les plus froides possèdent généralement des nageoires pectorales plutôt courtes et une nageoire dorsale peu prononcée. C’est le cas pour la baleine franche, la baleine arctique, le narval ou le béluga.

Il s’agit d’une excellente stratégie pour conserver plus de chaleur, car les appendices hautement vascularisés ont tendance à perdre la chaleur.

Les orques et leur immense nageoire dorsale ou les baleines à bosse avec leurs impressionnantes nageoires pectorales constituent sur ce sujet de très mauvais exemples.

La thermorégulation des narvals et bélugas dans les eaux glacées de l’Arctique

L’internalisation des organes génitaux

La plupart des mammifères terrestres, en particulier les mâles, possèdent des organes génitaux externes. Chez la plupart des mammifères marins, ils ne sortent que pour les actes de reproduction. Les « ranger » à l’intérieur d’une poche corporelle leur permet de rester au chaud, en même temps que d’améliorer l’hydrodynamisme de l’animal et encore économiser de l’énergie.

Des poils au lieu de la graisse ?

Les mammifères terrestres utilisent des poils pour se réchauffer, on pourrait donc penser que leurs homologues aquatiques en feraient autant, mais ce n’est pas tout à fait le cas.

En effet, la fourrure fonctionne comme un isolant car elle emprisonne l’air, créant ainsi une couche calorifuge. Cependant, la pression sous la surface de l’eau entraîne la compression de l’air qui perd son pouvoir isolant.

Les mammifères marins comme les loutres de mer — qui vivent pour certaines dans des eaux glaciales — ont trouvé la parade à cet inconvénient avec deux couches de fourrure très épaisse : un sous-poil et un poil de garde plus long. Cette double couche emprisonne l’air sans être soumis à la pression et conserve la loutre de mer au chaud.

Comment garder son sang-froid…

Par certains moments, les mammifères marins ont besoin d’évacuer un peu de chaleur excessive. C’est le cas lorsqu’ils évoluent dans des eaux plus chaudes ou qu’ils sont actifs (notamment lorsqu’ils chassent ou se reproduisent). Ne possédant pas de glandes sébacées, ils ne peuvent pas transpirer comme nous pour se rafraîchir, c’est pourquoi ils ont développé une stratégie différente pour pouvoir évacuer l’excès de chaleur en contournant la couche de graisse.

Ainsi, si la couche de graisse assure une excellente isolation de la majeure partie du corps des baleines, certaines zones appelées « fenêtres thermiques » sont dépourvues de graisse et ne sont pas bien isolées. Il s’agit notamment des nageoires qui sont relativement fines et très vascularisées.

La thermorégulation par échange thermique à contre-courant

Toutefois, perdre trop de chaleur pourrait entraîner un choc thermique au niveau du cœur, ce qui nécessite un système de thermorégulation supplémentaire : les mammifères marins régulent la température, grâce à un système appelé échange thermique à contre-courant.

Très proches les unes des autres, les artères et les veines de ces tissus circulent dans des directions différentes, ce qui permet le transfert de chaleur au travers des membranes. Le sang chaud qui quitte le cœur va réchauffer le sang froid qui retourne au cœur depuis les extrémités. De cette façon, le cœur pompe en permanence du sang chaud. L’échange de chaleur à contre-courant diminue également la perte de chaleur dans ces fenêtres thermiques.

L’échange à thermique à contre-courant dans la bouche des baleines à fanon

Les mysticètes — les baleines à fanons — possèdent également cet échange thermique à contre-courant dans la palette souple de leur bouche (c’est le rose du palais de la mâchoire supérieure).

Lorsque les baleines à fanons se trouvent dans leurs zones d’alimentation en eau froide, elles passent beaucoup de temps avec la bouche ouverte, ce qui engendre une perte de chaleur potentielle importante. Ce système de contre-courant permet de s’assurer qu’elles ne perdent pas trop de chaleur dans leur environnement, ainsi que de maintenir le retour du sang chaud vers le cerveau et le cœur.

Les mysticètes constituent ainsi un formidable exemple de l’adaptation de la nature qui élabore un processus sophistiqué à l’efficacité remarquable.