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L’organe paratympanique, le baromètre interne des oiseaux

Alors que l'ouragan Irma frappe actuellement les Antilles, nous présentons ce petit organe situé dans l'oreille moyenne de certains oiseaux qui leur permettrait de détecter l'arrivée de dépressions atmosphériques.

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L’organe paratympanique, le baromètre interne des oiseaux

Le Bruant à couronne blanche (Zonotrichia leucophrys) est capable de détecter des variations de la pression atmosphérique.
Photographie : Mdf / Wikimedia Commons 

Fin août 2017, l'ouragan Harvey a frappé une partie du Texas (États-Unis), et en ce début du mois de septembre 2007, Irma a dévasté plusieurs îles des Antilles, provoquant des dégâts importants et des morts. Plusieurs pays disposent de systèmes pour prévenir leurs habitants de l'arrivée prochaine de fortes dépressions, et des alertes peuvent être données avant les catastrophes. Les oiseaux doivent eux aussi subir les passages des dépressions (tempêtes, ouragans, cyclones, etc.), et ils ne disposent pas d'un système d’alarme collectif. Mais de nombreuses espèces sont équipées d’un "baromètre interne", l’organe paratympanique (OPT), qui leur permettrait de détecter des variations de la pression atmosphérique, même si ses fonctions exactes sont encore mal connues.
Nous vous proposons une présentation de cet organe particulier, que très peu de vertébrés en dehors des oiseaux possèdent, et une évocation des  comportements de ces derniers avant et pendant le passage d’une dépression.

Abstract

At the end of August 2017, the Hurricane Harvey hit part of Texas (USA), and at the begin of September 2007, Irma has devastated several Caribbean islands, causing extensive damage and deaths. Several countries have developped systems to prevent their inhabitants from the onset of severe depressions, and warnings can be given before disasters occur. Birds should also undergo the passage of depressions (storms, hurricanes, cyclones ...), and they do not have a collective alarm system. But many species are equipped with an internal barometer, the Paratympanic Organ (PTO), which allow them to detect air pressure changes, although its exact functions are still poorly understood.
We propose you an overview of this particular organ, that very few vertebrates have outside of birds, and a description of the avian behavior before and during the passage of a depression.

Certains oiseaux peuvent détecter des variations de pression atmosphérique

Plusieurs expériences ont permis de déterminer que différentes espèces d'oiseaux étaient capables de détecter des variations de la pression atmosphérique. Deux biologistes américains ont testé cette capacité chez le Pigeon voyageur (Columba livia) : 10 des 12 oiseaux étudiés réagissaient à une diminution de la pression. Leur limite de détection était de moins d’un centimètre (10 mm) d’eau (l’unité de mesure de la pression), ce qui correspond approximativement à un changement d’altitude de 10 mètres. Leurs performances de détection étaient meilleures dans une chambre artificielle. 

L'oreille d'un oiseau

Schéma de l'oreille d'un oiseau

Structure de l'oreille d'un oiseau.
Schéma : Ornithomedia.com

L'oreille d'un oiseau est composée de trois parties (les oreilles externe, moyenne et interne), un peu comme la nôtre.
L'oreille externe est un simple canal menant au tympan de l'oreille ou tambour. Elle se poursuit par l'oreille moyenne, constituée d’un seul os appelé la columelle (qui est remplacée chez les mammifères par une chaîne de trois osselets : le marteau, l'enclume et l'étrier).
L'oreille interne baigne dans un liquide et se compose de cinq parties (les canaux semi-circulaires, l'utricule, la cochlée, le lagéna et le sacculus).
Lire Le système auditif des oiseaux.

L’organe paratympanique, un baromètre interne

L’organe paratympanique (OPT) a été découvert par l’anatomiste italien Giovanni Vitali en 1911 : c’est un organe sensoriel situé dans l'oreille moyenne des oiseaux et de quelques autres vertébrés (les alligators, le sphénodon, l'échidné et une espèce de chauve-souris notamment).
Plus précisément, l'OPT est situé dans la paroi médiane de la cavité tympanique, au-dessus de l’ouverture du tube eustachien, près de l’artère stapédienne (qui irrigue le muscle de l’étrier, le troisième et dernier de la chaîne des trois osselets) et de la veine auriculaire, et derrière la columelle. Il comprend une vésicule allongée, dont le lumen (intérieur) est rempli d’un fluide gélatineux. Sa paroi interne est tapissée d’un épithélium sensoriel composé d'environ 2 500 cellules ciliées mécano-sensorielles (un nombre comparable à celui de la ligne latérale des poissons) qui sont en contact avec les mouvements du fluide. Ces cellules sont similaires à celles que l’on trouve aussi dans les oreilles humaines et qui contribuent au maintien de notre équilibre. 
Les informations nerveuses recueillies par l'OPT sont transmises via des neurones du ganglion facial au cerveau et à la moelle épinière. D'autre part, des connexions nerveuses arrivent à l’OPT depuis le noyau moteur facial, peut-être en empruntant les motoneurones qui innervent le muscle stapédien (= de l’étrier) qui protège l'oreille interne.
Cet organe a finalement été très peu étudié, peut-être parce qu’il est essentiellement  présent chez les oiseaux. La plupart des espèces en sont équipées, mais certaines en sont dépourvues comme les hiboux ou les engoulevents. Il pourrait remplir les fonctions de baromètre et d’altimètre.
C’est l’équivalent de la ligne latérale des poissons. 

Situation de l'organe paratympanique

Situation de l'organe paratympanique dans l'oreille moyenne de l'oiseau.
Schéma : Ornithomedia.com d'après PubMedCentral Canada

Le fonctionnement de l'OPT

L'OPT est relié par des ligaments élastiques à la membrane du tympan et à la columelle (l'équivalent chez les oiseaux de la chaîne des osselets chez les mammifères) : une pression sur la membrane tympanique déforme de manière significative l'espace intérieur de la vésicule de l’OPT et provoque un déplacement du fluide qu’elle contient. Ce mouvement stimule les cellules mécano-sensorielles permettant aux oiseaux de percevoir la position et la tension de la membrane tympanique et donc de détecter des différences absolues ou relatives de la pression atmosphérique.
Certains oiseaux peuvent réagir à des changements de pression de 10 à 20 mm, soit l’équivalent d’une variation d’altitude de 10 à 20 mètres. L’OPT est donc a priori l’organe le plus susceptible de transmettre au cerveau  des informations concernant la pression atmosphérique.
Il peut donc être assimilé à un baromètre, permettant de récolter des informations sur les baisses de  pression qui accompagnent le passage d’un ouragan, d’une tempête ou d’une tornade : combinée avec d’autres indices, comme l'accroissement de la vitesse des vents et l'augmentation des précipitations, cette donnée physique servirait d’avertissement pour les oiseaux.
En outre, quand la pression atmosphérique diminue, les insectes sont plus abondants (sauf si les pluies sont fortes) et ils peuvent constituer des sources de protéines utiles pour mieux surmonter l’épreuve du passage d’un ouragan.
L'OPT jouerait aussi le rôle d'altimètre, les oiseaux pouvant en effet conserver une altitude à peu près constante sur de longues distances, y compris de nuit. Des lésions bilatérales infligées à des pigeons ont révélé qu’il contribuerait peut-être à leur orientation.

Tous les oiseaux n'ont pas d'OPT

La taille de l’organe paratympanique varie selon les oiseaux : il est hypertrophié chez les faucons et les martinets, deux groupes d’oiseaux très habiles en vol.
L'OPT est utile non seulement pour les oiseaux volants, mais également pour les espèces aptères plongeuses comme les manchots : il fournirait en effet également des informations importantes concernant la pression de l’eau.
Certaines espèces n’ont pas (ou plus) cet organe, comme les chouettes, les engoulevents et les perroquets, peut-être à cause de leur mode de vie (en particulier leur technique d'alimentation) et leur habitat : la capacité de détecter des diminutions de la pression et donc de "prédire" le passage d’une dépression serait plus importante pour les petits oiseaux, en particulier les migrateurs, que pour les chouettes ou les perruches, au mode de vie plus sédentaire.

Comment réagissent les oiseaux avant le passage d’une dépression ?

Les dépressions (tempêtes, ouragans…), qui se traduisent généralement par une baisse des températures, provoquent un refroidissement du corps des oiseaux et donc entraînent une augmentation de leur métabolisme basal. Or ces perturbations atmosphériques, qui sont souvent accompagnées de forts vents et parfois de chutes de neige ou de pluies abondantes, peuvent limiter la recherche de la nourriture indispensable à la fourniture d’énergie.
Les oiseaux équipés d’un OPT peuvent "se préparer" à l'arrivée d'un ouragan ou d'une tempête : une expérience menée en laboratoire sur le Bruant à couronne blanche (Zonotrichia leucophrys) a montré qu’une baisse de la pression entraînait une augmentation de l’activité de nourrissage de ce passereau. 
Plusieurs amateurs, notamment nord-américains, ont observé que quelques jours avant le passage d’ouragans ou de tornades,  beaucoup d’oiseaux fréquentaient de façon assidue les mangeoires. Le docteur Langham a décrit ainsi le comportement des oiseaux dans son jardin de Washington les jours précédents le passage de l’ouragan Sandy en 2012 (lire Observer les oiseaux après le passage de Sandy, l'ouragan "Frankenstein") : "ils étaient comme fous, se nourrissant activement même sous la pluie et le vent, ce qui constitue un comportement inhabituel. On avait l’impression qu’ils avaient senti l’arrivée de la perturbation et qu’ils essayaient de faire le maximum de provisions avant".  
Creagh Breuner, qui a étudié les Bruants à couronne blanche de la Sierra Nevada en Californie, avait émis l’hypothèse qu'une baisse de la pression atmosphérique aurait pu constituer un signal provoquant une augmentation de la production des hormones glucocorticoïdes, qui sont associées au stress et qui favorisent les comportements de survie comme la recherche de nourriture. Mais il n’a pas détecté de variation du taux de corticostérone en réalisant des prises de sang chez des dizaines de bruants 12 heures avant des tempêtes de neige...

Observer les comportements des oiseaux pour prévoir les catastrophes

Si l’Homme dispose désormais de méthodes sophistiquées d’étude et de prévention des catastrophes naturelles, l’observation attentive des signes de la nature peut donc lui apporter des indices précieux (lire Prévoir la météo en observant les oiseaux). Deux chercheurs indiens de Hindustan Institute of Technology and Science ont même proposé un système de prévision de certaines catastrophes naturelles (les tsunamis) basé sur l’observation du comportement inhabituel des oiseaux : de nombreux observateurs ont en effet constaté qu’ils quittaient généralement leur nid avant un désastre. C’était ainsi le cas avant le tsunami de décembre 2004 dans l’océan Indien (lire Le tsunami de décembre 2004 et les oiseaux).
Un axe de recherche chinois est l’étude du comportement des pigeons avant un tremblement de terre ou un tsunami : des études ont en effet déterminé que leurs pattes possédaient des centaines de petites unités nerveuses situées entre le tibia et la fibula, connectées au nerf central et très sensibles aux vibrations.

Le comportement des oiseaux pendant le passage des dépressions

Fou de Bassan (Morus bassanus)

Les oiseaux marins, comme le Fou de Bassan (Morus bassanus), peuvent éviter les fortes dépressions.
Photographie : Andreas Trepte / Wikipedia

Quand l’ouragan ou le cyclone est là, les oiseaux arboricoles cherchent un abri et se perchent fermement grâce à une fermeture "automatique" de leurs doigts provoquée par la compression des tendons (c’est ce qui leur permet de passer une nuit sur une branche sans tomber : lire Comment les oiseaux supportent-ils les nuits d'hiver et comment les aider ?) et ils attendent alors la "suite des évènements". Les oiseaux restent ainsi à l'abri aussi longtemps que nécessaire.
C’est plus difficile pour les oiseaux marins qui peuvent être emportés sur des centaines de kilomètres. De nombreux individus meurent alors d’épuisement et/ou de faim, et l’on retrouve parfois leurs cadavres sur les plages.
Mais les espèces marines sont aussi particulièrement résistantes et elles ont un sens de l’orientation remarquable, y compris en pleine mer. Dans le cadre de la mise en place d’un projet éolien, Caleb Spiegel, un biologiste de l’United States Fish and Wildlife Service, et des membres du Bureau of Ocean Energy Management, avaient équipé des Fous des Bassan (Morus bassanus) d'émetteurs. Quand l’ouragan Sandy a touché les côtes du New Jersey, ils ont observé qu’un de ces oiseaux avait alors fait demi-tour vers Long Island puis s'était dirigé vers le large, attendant que l’ouragan s’éloigne. Il est ensuite retourné vers les côtes du New Jersey.
Le docteur Bryan D. Watts et ses collègues étudient depuis 2008 le Courlis corlieu (Numenius phaeopus), un limicole qui niche notamment dans la toundra canadienne et qui passe l’hiver en Amérique du Sud en traversant régulièrement le "couloir des ouragans" dans la mer des Caraïbes. En août 2011, ils ont été frappés par la "bravoure" d’un oiseau surnommé "Hope" qui a dû subir le passage de Gert au large de la Nouvelle-Écosse : il a "plongé" au cœur de cet ouragan à la vitesse de 11 km/h et en est ressorti à 145 km/h !
Quatre courlis ont aussi été vus en 2011 traversant avec succès l’ouragan Irène, mais hélas, deux d’entre eux, qui avaient trouvé refuge en Guadeloupe, ont été abattus par des chasseurs…

Les effets des fortes dépressions sur les populations d'oiseaux

Certaines dépressions peuvent détruire des populations entières d'oiseaux, ce qui peut avoir des effets graves pour des espèces déjà rares : par exemple, en 1989, l’ouragan Hugo a tué la moitié des Amazones de Porto Rico (Amazona vittata), et Gilbert en 1988 a certainement contribué à l’extinction du Moqueur de Cozumel (Toxostoma guttatum), qui était toutefois déjà rarissime auparavant.
Les ouragans détruisent parfois des habitats naturels et donc des zones d’alimentation et de nidification : en 1989, Hugo a ainsi anéanti la quasi-totalité des nids des Pics à face blanche (Picoides borealis) (dans une seule forêt, 87 % de leurs nids avaient été détruits et 67 % des oiseaux tués). Les espèces au régime alimentaire spécialisé sont davantage touchées que les plus généralistes, et leurs populations ont donc plus de mal à se remettre du passage d’un cyclone ou d'un ouragan.
Mais les effets des dépressions ne sont pas forcément négatifs : elles peuvent aussi créer de nouveaux habitats (par exemple, ouvrir des carrières dans les forêts), fournir des ressources alimentaires pour certaines espèces (du fait au pourrissement des arbres détruits ou cassés), ou aider à la colonisation de nouvelles régions. Ce n’est en fait que lorsque leurs effets sont combinés à ceux de l’Homme qu’ils constituent une menace sérieuse pour les oiseaux.
Ces perturbations atmosphériques permettent enfin aux ornithologues de voir des oiseaux inhabituels dans des zones éloignées de leurs aires de reproduction ou de migration normales...

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Sources

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