Il y a des centaines de millions d'années, des ancêtres très, très éloignés des humains - et de tous les animaux terrestres avec des dorsales et quatre membres - avaient cette capacité de respirer l'eau, mais elle a été perdue après que les premières créatures respirant l'air ont commencé à vivre sur la terre à plein temps . Aujourd'hui, les humains ne peuvent respirer que dans de l'eau en utilisant un équipement spécial - ou dans des films comme "Aquaman" (Warner Bros. Pictures), sur des personnages de bandes dessinées avec des capacités sous-marines uniques.
La tradition de la bande dessinée explique en quelque sorte comment l'hybride mi-humain mi-atlante du film Aquaman (Jason Momoa) et tous ses cousins atlantiques à l'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 aqueux?
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 dans le monde ont développé plusieurs autres méthodes pour accéder à l'oxygène dans l'eau, ont déclaré des experts à Live Science.
Une technique ancienne
Certains animaux comme les méduses absorbent l'oxygène de l'eau directement à travers leur peau. Rebecca Helm, professeur adjoint à l'Université de Caroline du Nord, Asheville, a déclaré à Live Science qu'une cavité gastrovasculaire à l'intérieur de leur corps avait un double objectif: digérer les aliments et déplacer l'oxygène et le dioxyde de carbone.
En fait, les premières formes de vie microbienne de la Terre qui utilisaient 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 le scientifique océanographique Juli Berwald, 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 de la gelée et n'ont 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 à Live Science dans un email.
Cependant, il existe également des inconvénients à "respirer" par diffusion.
"C'est 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 grosses méduses", a ajouté Berwald.
Méthode de porte dérobée
La respiration par diffusion d'oxygène sur la surface du corps se retrouve également dans les échinodermes - un groupe d'animaux marins qui comprend les étoiles de mer, les étoiles de mer, les oursins et les 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 à Live Science le zoologiste des invertébrés Christopher Mah, chercheur au Smithsonian National Museum of Natural History à Washington, D.C.
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.
"Il souffle littéralement hors de son cul", a déclaré Mah.
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 qui coule et le diffuser à travers les membranes des branchies, selon le Northeast Fisheries Science Center.
Dans la plupart des poissons, les branchies ont «le même plan de base», a déclaré à Live Science Solomon David, professeur adjoint au Département des sciences biologiques de la Nicholls State University en Louisiane.
"Ils sont faits pour avoir cet échange de gaz à contre-courant - retirer l'oxygène et libérer les déchets", a déclaré David. Lorsque les poissons baillent la 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 des capillaires dans nos alvéoles", a-t-il déclaré.
Cependant, les branchies ne sont pas exactement à taille unique. Selon David, 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 qui ment et attend, comme un alligator gar.
"Si vous êtes un prédateur actif qui est tout le temps en mouvement, vous aurez différentes branchies pour des demandes d'oxygène plus élevées", a déclaré David.
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, a-t-il ajouté. 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, a déclaré Kirsten Hecht, écologiste aquatique à la School of Natural Resources and Environment de l'Université de Floride. un email.
Les lungfish - un groupe de poissons qui respirent l'air ainsi que l'eau en utilisant 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", a déclaré Hecht.
Article original sur Science en direct.
