Comment les animaux respirent-ils sous l'eau?

Il y a des centaines de millions d'années, des ancêtres très, très éloignés des humains - et de tous les animaux terrestres avec une épine dorsale et quatre membres - avaient cette capacité à respirer l'eau, mais elle a été perdue après que les premières créatures respirant l'air aient commencé à vivre sur terre à plein temps. . Aujourd'hui, les humains ne peuvent respirer que dans l'eau à l'aide d'un équipement spécial - ou dans des films comme "Aquaman" (Warner Bros. Pictures), sur des personnages de bandes dessinées dotés de capacités sous-marines uniques.

L'histoire de la bande dessinée explique en quelque sorte comment l'hybride mi-humain mi-atlante du film Aquaman (Jason Momoa) et tous ses cousins ​​atlantes d'apparence humaine peuvent respirer dans les profondeurs de l'océan - les "branchies" sont mentionnées, bien qu'elles ne soient pas visibles, et les détails sont laissés à l'imagination du spectateur. Mais comment les créatures du monde réel respirent-elles exactement dans leurs environnements aquatiques? [Photos: découvrez les créatures marines les plus mignonnes du monde]

En fait, il y a beaucoup d'oxygène dissous dans la plupart des mers, lacs et rivières de la planète, bien que nos poumons respirant l'air ne puissent tout simplement pas le traiter. Mais les habitants de l'eau du monde ont mis au point plusieurs autres méthodes pour accéder à l'oxygène dans l'eau, ont déclaré des experts. .

Une technique ancienne

Certains animaux comme les méduses absorbent l'oxygène de l'eau directement à travers leur peau. Une cavité gastrovasculaire à l'intérieur de leur corps a un double objectif: digérer les aliments et déplacer l'oxygène et le dioxyde de carbone, a déclaré Rebecca Helm, professeure adjointe à l'Université de Caroline du Nord à Asheville. .

En fait, les premières formes de vie microbienne de la Terre qui utilisaient de l'oxygène l'ont obtenu de la même manière que les gelées - par diffusion. Cette forme de respiration est probablement apparue il y a environ 2,8 milliards d'années, «quelque temps après que les cyanobactéries ont commencé à pomper de l'oxygène dans l'atmosphère», selon Juli Berwald, spécialiste des océans, auteur de «Spineless: The Science of Jellyfish and the Art of Growing a Backbone» (Riverhead Livres, 2017).

"Parce qu'ils n'ont qu'une couche cellulaire externe et une couche cellulaire interne et que leur intérieur est gelé et n'a pas de cellules, ils n'ont pas besoin d'autant d'oxygène que les animaux qui ont de vrais tissus à l'intérieur", a déclaré Berwald dans un e-mail..

Cependant, il y a aussi des inconvénients à "respirer" par diffusion.

"C'est beaucoup plus lent que d'utiliser un système circulatoire pour apporter de l'oxygène à des parties éloignées du corps. Cela signifie probablement qu'il y a une limite à la croissance des grosses méduses", a ajouté Berwald..

Méthode de la porte dérobée

La respiration par diffusion d'oxygène sur la surface du corps se trouve également chez les échinodermes - un groupe d'animaux marins qui comprend des étoiles de mer, des étoiles de mer, des oursins et des concombres de mer..

Les étoiles de mer absorbent l'oxygène lorsque l'eau coule sur des bosses sur leur peau appelées papules, et à travers des rainures dans d'autres structures appelées pieds tubulaires, a déclaré le zoologiste invertébré Christopher Mah, chercheur au Smithsonian National Museum of Natural History à Washington, D.C. .

Certains types de concombres de mer peu profonds, cependant, ont un type différent d'adaptation spécialisée pour la respiration: une structure «arborescente» respiratoire située dans la cavité corporelle près de l'anus. Lorsque l'ouverture rectale du concombre aspire de l'eau dans son corps, l'arbre respiratoire extrait l'oxygène et expulse le dioxyde de carbone.

"Il respire littéralement de son cul", a déclaré Mah. [Dangers in the Deep: 10 créatures marines les plus effrayantes]

Un "plan de base"

Chez les poissons, les branchies se sont révélées être un système de respiration efficace, utilisant un réseau de vaisseaux sanguins pour aspirer l'oxygène de l'eau courante et le diffuser à travers les membranes branchiales, selon le Northeast Fisheries Science Center..

Dans la plupart des poissons, les branchies ont «le même schéma de base», a déclaré Solomon David, professeur adjoint au Département des sciences biologiques de l'Université Nicholls State en Louisiane. .

"Ils sont faits pour avoir cet échange de gaz à contre-courant - extraire l'oxygène et libérer des déchets", a déclaré David. Lorsque les poissons baillent la bouche, ils créent un courant d'eau qui coule sur leurs branchies. Le tissu rougeâtre et hautement vascularisé aspire l'oxygène et expulse le dioxyde de carbone, "un peu comme des capillaires dans nos alvéoles", a-t-il déclaré..

Cependant, les branchies ne sont pas exactement de taille unique. Leur structure peut varier d'une espèce à l'autre en fonction de leurs besoins en oxygène, selon David. Les branchies d'un thon à nage rapide, par exemple, varieront quelque peu de celles d'un poisson qui est un prédateur de mensonge et d'attente, comme un alligator gar.

"Si vous êtes un prédateur actif et toujours en mouvement, vous allez avoir des branchies différentes pour des besoins plus élevés en oxygène", a déclaré David..

La forme de Gill peut même varier entre les individus de la même espèce, en fonction des conditions d'oxygène dans l'eau où ils vivent, a-t-il ajouté. Des études ont montré que les poissons peuvent adapter leur morphologie branchiale lorsque leur habitat aquatique est pollué; avec le temps, leurs filaments branchiaux deviennent plus condensés, pour résister aux contaminants dans l'eau.

Certains amphibiens aquatiques ont également des branchies - des structures ramifiées qui s'étendent vers l'extérieur de leur tête. C'est un trait larvaire chez les amphibiens qui disparaît à mesure que la plupart des espèces mûrissent, mais les salamandres aquatiques comme les sirènes conservent ces branchies externes à l'âge adulte, a déclaré Kirsten Hecht, écologiste aquatique à la School of Natural Resources and Environment de l'Université de Floride, dans un courriel..

Les poissons-poumons - un groupe de poissons qui respirent de l'air ainsi que de l'eau à l'aide d'une vessie natatoire modifiée - ont également des branchies externes lorsqu'ils sont jeunes, "mais presque toutes les espèces de poissons-poumons les perdent avant d'atteindre l'âge adulte", a déclaré Hecht..

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