François Vézina
Lauréat 1998 du Concours de vulgarisation scientifique (Prix de l'ACFAS)
François Vézina a été étudiant à la maîtrise à l'Université de Sherbrooke. Spécialisé en biologie, il s'est intéressé à l'aménagement de la faune et plus particulièrement aux stratégies de gestion de l'énergie en hiver chez les passereaux dans diverses contrées.
Quand la vie ne tient qu'à l'hypothermie
Il fait -20°C par cette belle fin de journée de janvier. Ce sera bientôt la nuit et les petites mésanges à tête noire s'activent encore autour de ma mangeoire. Elles s'accrochent à son rebord et repartent aussitôt, une graine au bec. Le plus surprenant, c'est que pendant les périodes de froid intense et même durant les tempêtes de neige - alors que nous, humains, sommes au chaud - elles sont presque toujours au rendez-vous... Et ce, souvent jusqu'à la fin du jour. Qu'est-ce qui pousse ces petites bêtes à sortir par un temps pareil? La science nous a donné une réponse à cette question: elles n'ont tout simplement pas le choix!
Depuis près de quarante ans, l'écologie hivernale des petits passereaux intéresse de nombreux chercheurs à travers le monde. Cette belle histoire a débuté lorsque l'on a décidé, entre autres, de se pencher sur les problèmes physiologiques auxquels sont confrontés les animaux de petite taille vivant dans un environnement froid. Comme nous, les animaux à sang chaud (que les scientifiques appellent homéothermes) ont des problèmes de «chauffage corporel» durant l'hiver. Ce qui rend le phénomène particulièrement intéressant, c'est que plus l'animal est petit, plus ces problèmes s'amplifient.
Pourquoi le mulot s'active plus que l'éléphant
Maintenir une température corporelle constante est une question de physique. Pour atteindre l'équilibre thermique, un animal doit en effet compenser ses pertes de chaleur en produisant lui-même, à partir de réactions physiologiques qui consomment de l'énergie. Cette énergie peut provenir des réserves corporelles ou directement de la nourriture. Plus la perte est grande, par exemple par grand froid, plus l'animal doit produire de chaleur. La vitesse de refroidissement d'un objet chaud soumis à un environnement froid est fonction de la surface de contact entre l'air et cet objet. Or les petits objets ont une surface beaucoup plus grande par rapport à leur volume que les objets plus gros. Ce sont donc les animaux de petite taille qui subissent les pertes de chaleur les plus importantes. Ce phénomène est d'une importance capitale en physiologie animale, parce qu'il engendre plusieurs contraintes énergétiques.
Comparons un éléphant et un mulot, ou plus précisément un campagnol. Pendant une heure, un éléphant absorbe plus d'oxygène, essentiel à l'utilisation de l'énergie, qu'un campagnol. Le taux métabolique de l'éléphant, c'est-à-dire sa consommation totale d'oxygène par unité de temps, est donc supérieur à celui du campagnol. Cette observation est tout à fait logique parce que la quantité de tissus actifs au plan physiologique - ceux qui consomment de l'énergie - est beaucoup plus importante chez un éléphant. Par contre, si l'on pouvait comparer un éléphant et un campagnol de masses égales, lequel des deux absorberait le plus d'énergie? Pour le savoir, les écophysiologistes calculent ce que l'on appelle le métabolisme spécifique, en divisant le taux métabolique d'un animal par sa masse. On constate alors qu'un gramme de campagnol brûle ses calories des centaines de fois plus rapidement qu'un gramme d'éléphant! Penchons-nous maintenant sur la quantité de nourriture avalée chaque jour par nos deux bestioles. Un éléphant d'Afrique mange en moyenne 50 kilos de nourriture par jour, ce qui représente moins de un pour cent de sa masse. Un campagnol, lui, peut absorber jusqu'à 30 grammes de nourriture par jour... ce qui équivaut presque à son poids total!
Les animaux de petite taille dépensent donc leur énergie beaucoup plus rapidement que les gros, simplement parce qu'ils ont un métabolisme spécifique plus élevé. D'ailleurs, qui n'a jamais remarqué qu'un campagnol est «légèrement» plus affairé qu'un éléphant? C'est aussi un effet du métabolisme. Car qui dit métabolisme élevé, dit activité physiologique élevée, conduction nerveuse rapide, consommation importante d'énergie et aussi absorption de nourriture en conséquence. Pour ces raisons, les mésanges qui fréquentent ma mangeoire sont constamment à la recherche de nourriture afin d'assurer leur survie, beau temps mauvais temps, et ce, du matin au soir. Décidément, quand on dit à quelqu'un «qu'il mange comme un oiseau», ce n'est vraiment pas un compliment.
Pas de gras superflus pour les mésanges
Même en se nourrissant suffisamment, comment les mésanges parviennent-elles à ne pas geler? Les chercheurs ont découvert que des mécanismes physiologiques particuliers permettent aux petits animaux de faire face aux problèmes énergétiques liés au maintien de la température corporelle. Le plus important est l'accumulation de graisses corporelles ou lipides. Cependant, nos oiseaux ne peuvent pas tout miser sur leurs réserves de graisse. En effet, d'une part, la quantité de réserves qu'il est possible d'emmagasiner est fonction de la taille. Les petits ont donc moins de place que les gros pour accumuler des graisses. D'autre part, s'ils sont trop lourds, il devient difficile pour eux de s'envoler en cas de danger. Dans ce cas, il peut être préférable de ne pas trop en mettre! Et cette décision, nos oiseaux d'hiver la prennent tous les jours. Par exemple, pour maintenir sa température corporelle à sa valeur normale, soit à 41°C, la mésange brûle une quantité faramineuse d'énergie. Mais elle ne peut se permettre d'accumuler toutes les réserves que son petit corps pourrait contenir, sous peine de périr dans la gueule d'une hermine. Son niveau journalier de réserve corporelle reflète donc un compromis entre la menace de prédation et le danger d'inanition. Par conséquent, à cause des prédateurs, le temps pendant lequel elle peut rester sans manger est amoindri.
En accord avec ces propos, plusieurs études scientifiques ont démontré que l'accumulation de réserves sous forme de lipides permet à nos amis à plumes de supporter un jeûne maximal d'une à deux journées seulement. Dans les cas extrêmes, lorsque les températures sont très basses, les réserves sont à peine suffisantes pour tenir une nuit! Ce problème est d'autant plus critique qu'en hiver la période d'alimentation est raccourcie et le jeûne nocturne est allongé pour la majorité des oiseaux, actifs uniquement le jour. Par conséquent, l'accumulation de réserves n'est qu'une partie de la solution. Si des petits oiseaux, comme les mésanges, peuvent survivre à l'hiver québécois, c'est qu'ils ont trouvé une alternative. Mais laquelle?
L'art de contrôler son hypothermie
Pour passer l'hiver, de nombreux petits mammifères hibernent. En général, ils accumulent une quantité importante de graisse à l'automne et entrent en léthargie très profonde durant la saison difficile en ralentissant leur métabolisme. La température corporelle de l'animal chute abruptement et se stabilise à seulement quelques degrés au-dessus de celle du terrier. Comme la vitesse des réactions physiologiques dans le corps est directement reliée à la température, baisser sa température corporelle revient à réduire la vitesse de ces réactions. Autrement dit, l'animal ralentit sa consommation d'énergie. Il peut ainsi vivre sur ses réserves pendant plusieurs mois. Chez les oiseaux cependant, ce phénomène physiologique n'est pas très répandu. Seulement deux familles sont connues pour entrer dans une forme de léthargie semblable à l'hibernation, soit les colibris (oiseaux-mouches) et les engoulevents, des insectivores nocturnes. En fait, la majorité des espèces font appel à ce que l'on nomme l'hypothermie contrôlée.
Les connaissances actuelles sur l'hypothermie chez les passereaux proviennent en grande partie des recherches effectuées par deux chercheurs scandinaves, Randi E. Reinertsen et Svein Haftorn. Dans les années 80, ils ont étudié plusieurs espèces européennes de mésanges. En soumettant ces animaux à des températures ambiantes fixes et en enregistrant leur masse, leur métabolisme et leur température corporelle de façon continue, ils ont pu décrire précisément le phénomène et ainsi, établir les avantages qu'ont les oiseaux à utiliser cette adaptation physiologique. Aujourd'hui, les chercheurs qui travaillent sur le sujet pensent que probablement toutes les espèces d'oiseaux de petite taille utilisent l'hypothermie dans les cas de déficit énergétique. D'ailleurs, l'hypothermie contrôlée a non seulement été mise en évidence chez les oiseaux qui vivent en climat froid, mais également chez des espèces désertiques et tropicales. Dire que pour certains, 20°C, c'est trop froid!
Tout comme l'hibernation, l'hypothermie est un ralentissement métabolique accompagné d'un refroidissement corporel qui permet d'économiser l'énergie. La grande différence vient du fait qu'un oiseau en hypothermie laisse rarement la température de son corps descendre en dessous de 35°C. L'hypothermie apparaît durant la période de sommeil, donc durant le jeûne, et ne dure que quelques heures. Par exemple, pour la mésange boréale (une proche parente de notre mésange à tête noire) les réserves d'énergie, aussi minimes soient-elles, sont très précieuses. Jeûner toute une nuit à -20°C, en maintenant une température corporelle de 41°C, lui coûterait si cher que le pauvre oiseau épuiserait la totalité de ses réserves avant le lever du jour! Par contre, en se laissant refroidir d'environ 6°C, cet animal est en mesure d'économiser jusqu'à 15 % de ses réserves. Une économie bien modeste, mais suffisante pour lui permettre de se réveiller «toujours vivant» au petit matin!
Les recherches de Messieurs Reinersten et Haftorn, ainsi que celles de plusieurs autres scientifiques, ont démontré que l'hypothermie est un mécanisme fort bien régulé. En général, plus l'air est froid, plus les pertes de chaleur et d'énergie sont importantes, et plus l'animal entre profondément en hypothermie. Par ailleurs, si la journée a été difficile et que les réserves sont incomplètes, l'oiseau n'a d'autre choix que d'augmenter le niveau d'économie en réduisant davantage sa température corporelle. La profondeur du «sommeil» est donc en partie fonction de l'environnement. Mais attention: réduire le métabolisme implique un ralentissement des réactions physiologiques et, par conséquent, de la vitesse de contraction musculaire. Il existe un seuil en dessous duquel le frissonnement, qui permet aux oiseaux de se réchauffer au matin, ne produit pas assez de chaleur pour rétablir la température corporelle normale. Passé ce seuil, c'est la mort. Cependant, les oiseaux profitent d'une limite relativement basse. En comparaison, une chute de quelques degrés seulement signifie de sérieux problèmes pour un humain. De plus, ralentir le métabolisme, c'est aussi réduire le temps de réponse face aux risques d'attaque par un prédateur. Les oiseaux ne visent donc pas l'économie maximale, mais plutôt le strict minimum pour survivre à la nuit. Décidément, quand la menace plane, tout est affaire de compromis!
Les oiseaux ont aussi d'autres solutions pour mieux passer l'hiver. Ainsi, la plupart d'entre eux choisissent pour dormir la nuit un endroit protégé où ils pourront trouver des conditions favorables permettant, par exemple, d'amoindrir l'effet du vent. Également, chez certaines espèces, les individus se regroupent et se collent les uns aux autres pendant la nuit. Ils réduisent ainsi la surface corporelle totale du groupe et donc les pertes de chaleur pour chaque individu.
Avant mes études graduées, lorsque je me baladais en forêt, mes raquettes aux pieds, et que j'observais les mésanges, jamais je n'aurais pu imaginer tous les mécanismes physiologiques mis en uvre pour permettre à ces oiseaux de résister à l'hiver. En apparence, les mésanges ne semblent pas incommodées le moins du monde par les rigueurs de notre hiver. En tout cas, pas autant que nous! Cependant, au fil de mes recherches, j'ai peu à peu découvert la réalité à laquelle sont confrontés les oiseaux de petite taille. Les oiseaux sont ingénieux et ceux qui subsistent chez nous durant l'hiver ont développé des moyens pour y arriver sans y laisser leurs plumes! Pourquoi restent-ils? Voilà une autre question tout aussi intéressante...