Il y a plusieurs millions d’années, les seuls êtres vivants peuplant la Terre évoluaient dans les océans, disposant d’une capacité à respirer sous l’eau. Aujourd’hui, les animaux terrestres n’ont plus accès à cette respiration aquatique. Alors, comment les créatures aquatiques actuelles parviennent-elles à respirer sous l’eau ?
En réalité, il y a de grandes quantités d’oxygène dissous dans la plupart des océans, mers, lacs et rivières de la planète, bien que nos poumons, conçus pour respirer l’air, ne puissent tout simplement pas l’exploiter. Mais les animaux marins ont, eux, développé plusieurs méthodes pour avoir accès à cet oxygène.
Méduses : elles respirent par diffusion de l’oxygène
Certains animaux comme les méduses absorbent l’oxygène de l’eau directement à travers leur peau. Rebecca Helm, biologiste à l’Université de Caroline du Nord, explique que la cavité gastro-vasculaire à l’intérieur de leur corps a un double objectif : digérer les aliments et véhiculer l’oxygène et le dioxyde de carbone.
En fait, les premières formes de vie microbienne de la Terre qui utilisaient l’oxygène agissaient de la même manière que les méduses — 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 l’océanologue Juli Berwald.
« Parce qu’elles n’ont qu’une couche cellulaire externe et une couche cellulaire interne, et que leur intérieur est une sorte de gelée sans cellules, elles n’ont pas besoin d’autant d’oxygène que les animaux possédant de véritables tissus internes. Cependant, il existe également des inconvénients à respirer par diffusion. C’est un processus beaucoup plus lent que d’utiliser un système circulatoire pour amener de l’oxygène à une grande partie du corps. Cela signifie probablement qu’il y a une limite à la taille des méduses », explique Berwald.
Une respiration par diffusion également présente chez les échinodermes
La respiration par diffusion d’oxygène sur la surface du corps se retrouve également chez les échinodermes — un groupe d’animaux marins qui comprend les étoiles de mer, les oursins et les concombres de mer.
Les étoiles de mer absorbent l’oxygène lorsque l’eau passe sur des bosses sur leur peau, appelées papules, et à travers des rainures dans d’autres structures, appelées pieds tubulaires, indique le zoologiste des invertébrés Christopher Mah, chercheur au Smithsonian National Museum of Natural History.
Certains types de concombres de mer en eau peu profonde, cependant, ont un type différent d’adaptation spécialisée pour la respiration : une structure arborescente respiratoire située dans la cavité corporelle près de l’anus. Comme l’ouverture rectale du concombre aspire l’eau dans son corps, l’arbre respiratoire extrait l’oxygène et expulse le dioxyde de carbone.
Poissons : la forme universelle des branchies
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 et le diffuser à travers les membranes des branchies. Chez la plupart des poissons, les branchies ont « le même schéma de base », explique Solomon David, biologiste au Département des sciences biologiques de la Nicholls State University.
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« Elles sont faites pour effectuer cet échange de gaz à contre-courant — absorber l’oxygène et libérer les déchets », ajoute David. Lorsque les poissons ouvrent leur bouche, ils créent un courant d’eau qui coule sur leurs branchies. Les tissus rougeâtres et très vascularisés aspirent l’oxygène et expulsent le dioxyde de carbone, un peu comme les capillaires des alvéoles pulmonaires.
Des branchies adaptées à chaque situation
Cependant, les branchies ne sont pas exactement à taille unique. Leur structure peut varier d’une espèce à l’autre en fonction de leurs besoins en oxygène. Les branchies d’un thon à nage rapide, par exemple, varieront quelque peu de celles d’un poisson qui est un prédateur attendant patiemment sa proie.
La forme des branchies peut même varier entre les individus d’une même espèce, en fonction des conditions d’oxygène dans l’eau où ils vivent. Des études ont montré que les poissons peuvent adapter la morphologie de leurs branchies lorsque leur habitat aquatique devient pollué ; au fil du 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. Les dipneustes (ou poissons pulmonés) — un groupe de poissons qui respirent l’air et l’eau à l’aide d’une vessie natatoire modifiée — ont également des branchies externes quand ils sont jeunes, mais presque toutes les espèces de lombes les perdent avant d’atteindre l’âge adulte.