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Date de
mise en ligne: 02/02/09 - Soumis au Comité de Lecture
Par une froide journée
d'hiver, en regardant des canards ou des mouettes posés sur la glace ou
dormant dans l'eau glacée, vous vous êtes peut-être déjà
demandé: mais comment font-ils pour supporter cela? Comment conservent-ils
leur chaleur? Comment leurs pattes ne gèlent-elles pas? Les oiseaux, notamment
aquatiques, ont développé un ensemble de mécanismes physiques
et métaboliques qui leur permettent de résister, dans certaines
limites, à des températures très froides.
Abstract
In Winter, when it's very
cold, we often wonder how do ducks, gulls, geese and others birds can bear roosting
or sleeping on ice or on snow-covered ground in winter? How do they keep warm?
How do they keep those bare feet and legs from suffering frostbite? Birds, and
in particular Waterfowl, have evolved physical and metabolic mechanisms that allow
them to withstand, within limits, very cold temperatures. In this article, we
present you these mechanisms.
Les adaptations des oiseaux pour supporter le froid
Les plumes
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Une plume du duvet
Schéma: Ornithomedia.com |
La protection physique la
plus évidente qu'ont les oiseaux pour se protéger du froid est leur
manteau isolant de plumes. Les plumes sont inertes et ne contiennent ni peau ni
vaisseaux sanguins, et ainsi ne dispersent pas la chaleur du corps dans l'environnement.
Au contraire, elles retiennent la chaleur du corps en piégeant l'air chaud
près de la peau.
Le nombre de plumes varie selon les saisons, et sont plus nombreuses en hiver
qu'en été.
Outre les plumes du vol des ailes et les plumes couvrant leurs corps, les oiseaux
aquatiques possèdent des couches épaisses de duvet, surtout sur
leur poitrine et sur leur ventre (lire Les
plumes). Les plumes duveteuses
sont spécialisées: elles sont petites, légères et
leurs barbes ne sont pas enchevêtrées. Leur fonction principale est
la conservation de la chaleur. Les plumes de duvet sont très abondantes
chez certaines espèces (canards, oies...); elles sont parfois arrachées
par l'oiseau sur son propre corps afin de garnir le nid. Quiconque a déjà
porté un manteau manteau doublé de plumes duveteuses sait à
quel point elles sont efficaces en hiver et isolent bien du froid.
La graisse sous-épidermique
Sous les plumes on trouve la
peau, qui joue aussi un rôle important dans le contrôle de la perte
de chaleur. La peau est irriguée par des vaisseaux sanguins qui transportent
le sang chaud du corps vers les surfaces extérieures. En outre, le derme,
la couche de peau située immédiatement sous la couche extérieure
mince de la peau (l'épiderme), constitue un site de stockage des graisses.
Le stockage sous-épidermique des graisses est notamment important chez
les canards qui vivent dans des environements aquatiques froids.
Ces réserves de graisses ont deux fonctions: elles fournissent une isolation
supplémentaire par rapport aux plumes, et elles servent de réserve
d'énergie qui peut être mobilisée par temps froid quand les
demandes métaboliques sont élevées et que la nourriture disponible
est faible.
Rappel: métabolisme et température du corps
Le métabolisme est l'ensemble des réactions physiques et chimiques
(enzymatiques) qui se produisent au sein d'un être vivant et plus spécifiquement
dans ses cellules et son milieu intérieur (sang et lymphe).
Le métabolisme de base (ou basal) (chez l'Homme) est la quantité
de chaleur libérée par un être non endormi, au repos physique
(allongé) et intellectuel, à une température ambiante de
25°C et à jeun depuis 12 heures (c'est-à-dire n'effectuant pas
d'activité digestive) (source: www.medicopedia.net).
Les oiseaux ont un métabolisme basal élevé et donc ont besoin
de beaucoup de ressources énergétiques. Proportionnellement, les
grands oiseaux consomment moins d'énergie par unité de surface que
les petits oiseaux.
En même temps que le métabolisme, les oiseaux ont tendance à
avoir une température corporelle plus élevée que les mammifères.
Elle est généralement comprise selon les espèces entre 38
et 42 degrés. Celle des grands oiseaux aptères comme les autruches
et certains oiseaux aquatiques comme les manchots ont une température corporelle
inférieure à celle des autres oiseaux. Les
oiseaux enfin sont globalement plus grands dans les milieux froids que dans les
zones tropicales, car ils présentent proportionnellement une surface corporelle
moindre.
Un échangeur
de chaleur à contre-courant
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Le système de l'échangeur de chaleur à contre-courant dans
les pattes des oiseaux aquatiques
Schéma: Ornithomedia.com d'après Ecology.botany.ufl.edu/
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Les oiseaux vivant dans
des environnements froids doivent conserver la chaleur de leur corps pour éviter
l'hypothermie. Cependant, le sang, qui coule du centre du corps (cœur) vers
la périphérie (comme les pattes et les pieds) peut facilement entraîner
une perte de chaleur par dissipation dans l'atmosphère au niveau de la
peau.
Pour empêcher une telle perte, les oiseaux possèdent une véritable
échangeur de chaleur à contre-courant constitué des vaisseaux
sanguins (artères et veines) situés dans les pattes et qui permet
à la chaleur d'être récupérée et sauvegardée.
Ce principe d'échange de chaleur à contre-courant est si efficace
et si ingénieux qu'il a été aussi adapté par l'Homme
pour chauffer de façon optimale les bâtiments en limitant les gaspillages
d'énergie en hiver!
L'échangeur de chaleur à contre-courant des oiseaux est constitué
des artères et des veines adjacents et dont les courants sanguins vont
dans des sens opposés. L'artère amène du sang chaud dans
les pattes, et la chaleur du sang dans l'artère est transférée
à celui circulant sang dans la veine (bien sûr, l'oxygène
et les nutriments continuent de nourrir les cellules des pattes). Suite à
cet échange de chaleur, le sang dans les pattes de l'oiseau est relativement
frais et peu de chaleur est perdue. Ainsi, un canard se tenant sur la glace perd
une faible quantité de chaleur par ses pattes.
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Cygnes de Bewick et canards de surface sur la glace
Photo: Fabrice Croset |
Alors que la température
fondamentale du corps d'un canard se tenant sur la glace est d'environ 37,8°C,
la température des pattes de l'oiseau peut être juste au-dessus de
0°C. Pour préserver leur chaleur par temps froid, les oiseaux aquatiques
réduisent en outre le volume de sang qui coule vers leurs pattes en contractant
les vaisseaux sanguins dans leurs pattes. Des expériences ont montré
que des canards réduisent peu à peu le flux de sang vers leurs pattes
au fur et à mesure que la température de l'air tombe à 0
degré. Toutefois, quand les températures tombent au dessous de 0°c,
les oiseaux ré-augmentant le flux de sang vers leurs pattes pour empêcher
une dégradation des tissus.
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Cygnes de Bewick et canards de surface (colvert et pilet) sur la glace: notez
que l'un des cygnes se tient sur une seule patte, pour protéger l'autre
du froid
Photo: Fabrice Croset |
Les oiseaux protègent
aussi leurs pattes en les rentrant dans les plumes de leurs flancs et près
de leur corps. Pour minimiser l'exposition par temps froid, les oiseaux aquatiques
se placent souvent sur une seule patte, plaçant de temps en temps l'autre
patte dans les plumes de leur corps pour la protéger du froid.
Une adaptation au froid des cellules des tissus des pattes
Chez la plupart des oiseaux, une partie des pattes est sans plumes. La plus longue
partie sans plume est cosntituée du tarso-métatarse (l'os de l'avant-jambe).
Cet os correspondant à une soudure du tarse et du métatarse et est
l'équivalent de l'os de notre pied. Le tibia et le fémur sont eux
généralement couverts de plumes.
Ainsi, une partie de la patte et les doigts ne sont pas isolés. Pour conserver
leurs pattes aussi chaudes que le reste du corps, les oiseaux devraient envoyer
une grande quantité de sang chaud vers ces secteurs exposés. Mais
au contraire, ils laissent leurs pattes se refroidir afin de n'avoir à
leur fournir qu'une petite quantité de sang. Chez les Goélands argentés
par exemple, la partie de la patte exposée aux éléments peut
avoir une température de seulement 4°C, et le dessous de la patte est
juste au-dessus de O°C!
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Structure typique d'une membrane cellulaire, composée d'une bicouche phospholipidique.
Chaque phospholipide est composé d'une tête hydrophile (1) et de
deux chaînes hydrophobes (2)
Schéma: Ornithomedia.com d'après Wikimedia Commons |
Pour que les tissus de la
patte inférieure supportent des températures si basses, leurs cellules
ont du s'adapter. Chaque cellule vivante est entourée d'une membrane semi-perméable
constituée principalement d'une bicouche de phospholipides.
Chaque phospholipide est composé de deux chaînes hydrophobes d'atomes
de carbone appelées acides gras pointant vers le centre de la membrane.
Pour fonctionner convenablement, le phospholipide de la membrane a besoin de pouvoir
se mouvoir dans le plan de la membrane: celle-ci doit donc être assez fluide
pour permettre aux petites molécules comme l'oxygène de rentrer
dans la cellule et au dioxyde de carbone d'en sortir.
La membrane peut adopter différents états en fonction de la température
et de la pression. Par exemple, une membrane de phospholipides purs forme une
phase liquide-cristalline à 20°C et 1 bar de pression tandis qu'à
-20°C elle forme plutôt une phase gel. Ainsi, quand la membrane est
exposée à des températures froides, celle-ci forme un ensemble
plus rigide. L'oxygène ne peut alors plus diffuser dans la cellule, et
le gel entraîne souvent la mort de celle-ci.
Chaque atome de carbone des acides gras d'un phospholipide a quatre points d'attache.
Généralement, deux d'entre eux servent à adhérer aux
deux atomes de carbone de l'acide gras adjacent. Les deux autres points d'attache
se lient généralement à un atome d'hydrogène. Cependant,
il est possible que deux atomes adjacents de carbone perdent l'un de leurs atomes
d'hydrogène et établissent une double liaison entre eux, formant
des acides gras trans. On les appelle alors acides gras insaturés (en hydrogène),
c'est à dire comprenant au moins une double liaison C=C entre deux atomes
de carbone.
Les acides gras insaturés ont tendance à rester à l'état
liquide à température ambiante. Ainsi, en créant des doubles
liaisons entre leurs atomes de carbone, les acides gras de la membrane cytoplasmique
des pattes des oiseaux permettent à la membrane de rester liquide même
sous des températures froides, et ainsi de continuer à fonctionner
normalement.
Pourquoi la plupart des oiseaux n'ont-ils pas de plumes aux pattes?
Ceci est lié au fait que le métabolisme de l'oiseau est élevé
pour fournir suffisament d'énergie pour le vol. La chaleur supplémentaire
excessive produite doit alors être éliminée, même sous
les climats les plus froids, pour éviter une surchauffe. Les pattes sans
plumes sont le lieu où cette chaleur est évacuée. la présence
de plumes empêcherait cette évacuation.
Sources
- BIO 554/754 - Ornithology: Avian Energy Balance & Thermoregulation: http://people.eku.edu/ritchisong/ornitholsyl.htm
- www.ducks.org
- http://mainebirds.blogspot.com
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