Comment respirent les oiseaux ? Poumons et sacs aériens

Les oiseaux respirent avec de petits poumons rigides et des sacs aériens, 9 chez la plupart des espèces, qui jouent le rôle de soufflets. L’air traverse les poumons dans un seul sens, et il faut deux cycles respiratoires pour qu’une même bouffée parcoure tout le système. Les oiseaux n’ont pas de diaphragme : ils respirent en bougeant côtes et sternum.

Grâce à ce flux unidirectionnel, de l’air frais passe sur les surfaces d’échange gazeux à l’inspiration comme à l’expiration. Ce dispositif compte parmi les systèmes respiratoires les plus efficaces des vertébrés. Il aide à comprendre comment les oiseaux soutiennent l’effort du vol et comment certaines espèces franchissent les plus hautes montagnes du monde.

Réponse rapide : comment respirent les oiseaux ?

Un oiseau respire avec deux ensembles complémentaires : des sacs aériens qui pompent l’air et des poumons presque fixes où se font les échanges gazeux. L’air neuf passe d’abord dans les sacs postérieurs, traverse ensuite les poumons, puis gagne les sacs antérieurs avant d’être expiré. Voici les points essentiels à retenir :

• Les sacs aériens servent de pompe. Des sacs en forme de ballonnets, dans le thorax et l’abdomen, se dilatent et se contractent pour déplacer l’air.
• Les poumons restent presque immobiles. Compacts et attachés aux côtes, ils changent à peine de volume.
• L’air circule à sens unique. Dans les poumons, il traverse de minuscules tubes appelés parabronches, toujours dans la même direction.
• Deux cycles par bouffée d’air. Une bouffée donnée est inspirée, envoyée dans les poumons puis expirée sur deux cycles d’inspiration et d’expiration.
• Pas de diaphragme. Des muscles font bouger les côtes et le sternum pour dilater et comprimer la cavité du corps.
• Échange à courants croisés. Le sang croise le flux d’air d’une manière qui extrait efficacement l’oxygène.

Quelles sont les parties de l’appareil respiratoire d’un oiseau ?

L’appareil respiratoire d’un oiseau comprend les narines et la bouche, une trachée souvent longue, la syrinx qui produit le chant, deux bronches primaires, deux poumons compacts traversés de parabronches et, chez la plupart des espèces, neuf sacs aériens. Certains de ces sacs se prolongent jusque dans les os, qu’ils remplissent d’air.

Par où l’air entre-t-il ?

L’air entre par les narines, situées le plus souvent à la base de la mandibule supérieure, ou par la bouche. Il descend dans la trachée, soutenue chez les oiseaux par des anneaux complets de cartilage ou d’os. Au bas de la trachée se trouve la syrinx, l’organe vocal des oiseaux, là où la voie aérienne se divise en deux bronches primaires, une par poumon.

Les oiseaux ont souvent une trachée relativement longue pour leur taille. Chez certaines grues et certains cygnes, comme le cygne chanteur, elle forme même une boucle logée dans le sternum, ce qui influence probablement la résonance de leurs cris. Une trachée plus longue ajoute un « espace mort » qui contient de l’air sans participer aux échanges. Les oiseaux compensent en partie avec une trachée plus large et une respiration plus profonde.

À quoi ressemblent les poumons ?

Les poumons des oiseaux sont petits, denses et spongieux, plaqués contre les côtes et la colonne vertébrale, le long du dos. Contrairement aux poumons des mammifères, qui se gonflent et se dégonflent, ils changent très peu de volume. Ils sont formés de nombreux tubes parallèles, les parabronches. De chaque parabronche part un réseau de capillaires aériens très fins, entrelacés avec des capillaires sanguins. C’est là que l’oxygène entre dans le sang et que le dioxyde de carbone en sort.

La barrière entre l’air et le sang est extrêmement mince chez les oiseaux, plus fine en moyenne que chez les mammifères, ce qui accélère le passage des gaz.

Que sont les sacs aériens ?

Les sacs aériens sont des structures fines et transparentes, en forme de ballonnets, qui occupent une grande partie de la cavité du corps. La plupart des oiseaux en ont neuf :

Ces sacs contiennent peu de vaisseaux sanguins et participent très peu directement aux échanges gazeux. Leur rôle est de stocker et de déplacer l’air. Certains se prolongent jusque dans les os, qu’ils remplissent d’air, comme l’explique notre article les oiseaux ont-ils des os creux.

Comment l’air circule-t-il dans les poumons d’un oiseau ?

L’air y circule à sens unique. À l’inspiration, l’air neuf remplit surtout les sacs postérieurs ; à l’expiration, ces sacs le poussent à travers les poumons. L’inspiration suivante l’envoie vers les sacs antérieurs, et l’expiration suivante le rejette par la trachée. Il faut donc deux cycles complets pour qu’une bouffée traverse tout le système.

C’est le cœur du sujet. Suivons une bouffée d’air étape par étape :

1. Première inspiration. L’oiseau dilate la cavité de son corps. L’air neuf descend dans la trachée et contourne en grande partie le poumon pour remplir les sacs postérieurs (thoraciques postérieurs et abdominaux).
2. Première expiration. La cavité se comprime. Les sacs postérieurs poussent cet air frais vers l’avant, dans les poumons, où il traverse les parabronches et où le sang capte l’oxygène.
3. Deuxième inspiration. Quand l’oiseau inspire à nouveau, l’air désormais pauvre en oxygène passe des poumons vers les sacs antérieurs (cervicaux, claviculaire et thoraciques antérieurs). Au même moment, une nouvelle bouffée remplit les sacs postérieurs.
4. Deuxième expiration. Les sacs antérieurs expulsent l’air usé par la trachée, tandis que les sacs postérieurs envoient la nouvelle bouffée dans les poumons.

En pratique, ces quatre étapes se chevauchent. À chaque inspiration et à chaque expiration, l’air traverse les poumons dans la même direction. C’est pourquoi les poumons des oiseaux reçoivent de l’air frais presque en continu.

Comment l’air « sait-il » dans quel sens aller ?

Le poumon des oiseaux ne possède aucune valve. Le flux à sens unique provient de la forme et des angles des conduits aériens, qui orientent l’air selon la pression, un mécanisme que les chercheurs appellent valvule aérodynamique. Des mesures de flux et des modélisations ont soutenu cette explication.

En quoi est-ce différent de la respiration humaine ?

Les poumons des mammifères se terminent par des millions de minuscules culs-de-sac, les alvéoles. L’air entre et ressort par le même chemin, si bien qu’il reste toujours un peu d’air vicié qui se mélange à l’air frais. Les oiseaux évitent ce problème, car l’air traverse les poumons au lieu d’aboutir dans des impasses.

Pourquoi le poumon des oiseaux est-il si efficace ?

Le poumon des oiseaux est efficace pour trois raisons. L’air y circule dans un seul sens, sans air vicié qui stagne. La barrière entre l’air et le sang est très mince. Enfin, le sang croise le flux d’air à angle droit, selon un échange à courants croisés. Ensemble, ces traits soutiennent l’effort énorme du vol battu.

Qu’est-ce que l’échange à courants croisés ?

Dans le poumon d’un oiseau, les capillaires sanguins croisent les parabronches en formant un angle avec le flux d’air. En avançant dans une parabronche, l’air rencontre une série de vaisseaux sanguins qui captent chacun un peu d’oxygène. Comme chaque vaisseau rencontre un air à teneur en oxygène légèrement différente, le sang qui quitte le poumon peut finir plus riche en oxygène que l’air expiré. Ce système à courants croisés est généralement jugé plus efficace que celui des mammifères, même si les branchies des poissons, avec leur contre-courant, font encore mieux.

Pourquoi le vol exige-t-il de si bons poumons ?

Le vol battu est l’une des activités les plus coûteuses en énergie du monde animal. Les muscles du vol ont besoin d’un apport d’oxygène élevé et régulier. Le flux à sens unique, la barrière très fine entre air et sang et l’échange à courants croisés aident les oiseaux à répondre à cette demande. Les colibris, qui vivent uniquement sur le continent américain et font du vol stationnaire avec des battements d’ailes très rapides, ont l’un des métabolismes les plus élevés de tous les vertébrés. Pour en savoir plus, voir comment les colibris font du vol stationnaire.

Comment les oiseaux respirent-ils en haute altitude ?

En altitude, les oiseaux profitent de leur poumon à flux unidirectionnel, mais aussi d’adaptations propres à certaines espèces. L’oie à tête barrée possède une hémoglobine qui capte mieux l’oxygène et respire profondément. Suivies par satellite, des oies ont franchi l’Himalaya en montant de 4 000 à 6 000 mètres en 7 à 8 heures, souvent de nuit.

Jusqu’à quelle altitude les oiseaux volent-ils ?

Certains oiseaux volent remarquablement haut. L’oie à tête barrée traverse l’Himalaya entre l’Asie centrale et l’Asie du Sud. Une étude publiée en 2011 dans PNAS a suivi ces traversées par satellite et montré que les oies montaient jusqu’à environ 6 000 mètres d’altitude, en volant souvent la nuit et tôt le matin, quand l’air est plus froid et plus dense. Les récits d’oies survolant les plus hauts sommets sont plus difficiles à confirmer.

Le record d’altitude le plus célèbre revient à un vautour de Rüppell percuté par un avion de ligne au-dessus de l’Afrique de l’Ouest en 1973, à une altitude rapportée d’environ 11 300 mètres. C’est un événement isolé, mais il montre que certains oiseaux peuvent atteindre des altitudes extrêmes.

Qu’est-ce qui rend le vol en altitude possible ?

L’efficacité du poumon aviaire y contribue, mais d’autres adaptations entrent en jeu. L’oie à tête barrée possède une hémoglobine qui fixe mieux l’oxygène que celle des oies de plaine, des poumons plus grands par rapport à sa taille que de nombreux autres anatidés, et une respiration profonde et efficace. Les oiseaux tolèrent aussi mieux que les mammifères un faible taux de dioxyde de carbone dans le sang, ce qui leur permet de respirer intensément en altitude sans les vertiges qu’éprouverait une personne.

D’autres animaux respirent-ils comme les oiseaux ?

Oui, en partie. L’alligator d’Amérique et certains lézards ont eux aussi un flux d’air à sens unique dans les poumons, alors qu’ils n’ont pas de sacs aériens comparables à ceux des oiseaux. Ce mode de ventilation est donc probablement apparu avant les oiseaux, chez un ancêtre partagé avec les crocodiliens, puis s’est perfectionné dans leur lignée.

Les oiseaux ne sont pas les seuls à avoir un flux d’air à sens unique dans les poumons. Une étude publiée en 2010 dans Science par Farmer et Sanders a mis en évidence ce flux chez l’alligator d’Amérique, alors que les alligators n’ont pas de sacs aériens comme les oiseaux. Des résultats semblables ont depuis été rapportés chez certains lézards. Ces découvertes suggèrent que le flux unidirectionnel est apparu avant les oiseaux, peut-être chez un ancêtre commun des crocodiliens et des dinosaures, puis s’est perfectionné dans la lignée des oiseaux.

Les fossiles de dinosaures appuient cette histoire. De nombreux dinosaures théropodes avaient des vertèbres remplies d’air, percées d’ouvertures qui correspondent à l’emplacement des sacs aériens des oiseaux.

Comment respirent les pigeons ?

Les pigeons respirent comme les autres oiseaux : narines à la base du bec, trachée, syrinx, deux poumons rigides traversés de parabronches et un réseau de sacs aériens qui assure un flux d’air à sens unique. Leurs voies respiratoires n’ont rien de particulier, mais ce système efficace explique en partie l’endurance des pigeons voyageurs.

Chez le pigeon, les narines s’ouvrent juste sous la cire, la petite bosse blanchâtre à la base du bec. L’air descend ensuite dans la trachée jusqu’à la syrinx, qui produit le roucoulement, puis se répartit entre les poumons et les sacs aériens selon le cycle décrit plus haut. Comme chez tous les oiseaux, il n’y a pas de diaphragme : ce sont les mouvements du sternum et des côtes qui ventilent.

Les éleveurs de pigeons surveillent de près les maladies respiratoires, car un oiseau qui respire mal perd vite ses capacités de vol. Un pigeon qui respire bec ouvert au repos, éternue souvent ou dont la queue bouge fortement à chaque respiration mérite l’avis d’un vétérinaire. Les pigeons des villes, eux, partagent les mêmes risques que les autres oiseaux sauvages, détaillés plus bas.

À quoi d’autre sert la respiration chez les oiseaux ?

Chez les oiseaux, la respiration ne sert pas qu’à capter l’oxygène. Elle alimente le chant, puisque l’air poussé par les sacs aériens fait vibrer la syrinx. Elle sert aussi à se rafraîchir, car les oiseaux ne transpirent pas et halètent par forte chaleur, et à limiter les pertes de chaleur par temps froid.

Comment la respiration aide-t-elle les oiseaux à chanter ?

Le chant est alimenté par l’appareil respiratoire. L’air poussé par les sacs aériens traverse la syrinx, où des membranes vibrent pour produire le son. Comme la syrinx se trouve à l’endroit où la voie aérienne se divise, de nombreux passereaux contrôlent chaque côté séparément et produisent deux notes à la fois. Ils prennent aussi de rapides « mini-inspirations » entre les notes, ce qui leur permet de longs chants complexes sans manquer d’air, comme le troglodyte mignon ou le rossignol philomèle. Pour en savoir plus, lisez comment les oiseaux apprennent à chanter.

Comment la respiration aide-t-elle les oiseaux à se rafraîchir ?

Les oiseaux ne transpirent pas. Par forte chaleur, ils halètent bec ouvert, ce qui augmente l’évaporation sur les surfaces humides des voies respiratoires. Beaucoup d’espèces font aussi vibrer rapidement la peau fine de leur gorge, un comportement appelé halètement gulaire, pour accroître encore l’évaporation. Les sacs aériens pourraient contribuer au refroidissement en augmentant la surface humide exposée à l’air en mouvement.

Et pour garder la chaleur en hiver ?

Par temps froid, les fosses nasales de nombreux oiseaux récupèrent une partie de la chaleur et de l’humidité de l’air expiré avant qu’il ne quitte le corps. Associé aux plumes gonflées et à une température corporelle abaissée la nuit, ce mécanisme réduit les pertes de chaleur. Voir comment les oiseaux restent au chaud en hiver.

À quelle vitesse les oiseaux respirent-ils ?

La fréquence respiratoire dépend surtout de la taille et de l’activité : les petits oiseaux respirent beaucoup plus vite que les grands, comme une souris respire plus vite qu’un éléphant. Une mésange au repos prend bien plus de respirations par minute qu’un cygne tuberculé ou une autruche, qui respirent lentement et profondément. En vol, la respiration s’accélère fortement.

Les chiffres exacts varient beaucoup selon l’espèce, la température et le stress : méfiez-vous de toute valeur unique citée pour « les oiseaux » en général.

L’activité change tout. En vol, la fréquence et l’amplitude respiratoires augmentent fortement pour répondre aux besoins des muscles. Chez de nombreuses espèces étudiées, la respiration est couplée au cycle des battements d’ailes, par exemple une respiration pour un ou plusieurs battements, même si le schéma diffère selon les espèces et les styles de vol. Ce lien mécanique est logique : les muscles du vol et le sternum bougent à chaque battement, et ce sont les mêmes structures qui actionnent les sacs aériens.

Au repos et pendant le sommeil, la respiration ralentit. Les nuits froides, certains petits oiseaux abaissent leur température corporelle et leur métabolisme, et leur respiration ralentit encore pour économiser l’énergie.

Comment les oiseaux plongeurs retiennent-ils leur souffle ?

Les oiseaux plongeurs ne respirent pas sous l’eau : ils emportent leur oxygène avec eux. Manchots, plongeons, cormorans, pingouins et canards plongeurs stockent beaucoup d’oxygène dans le sang et les muscles, ralentissent leur cœur pendant la plongée et contrôlent le volume d’air de leur corps. C’est le problème inverse de celui des oies de haute altitude.

Leurs principales adaptations :

• De l’oxygène stocké dans le sang et les muscles. Ils ont souvent des taux élevés d’hémoglobine et de myoglobine, les protéines qui retiennent l’oxygène dans le sang et les muscles. Leurs muscles rouge sombre trahissent une myoglobine abondante.
• Un cœur qui ralentit. Pendant la plongée, beaucoup d’oiseaux présentent un réflexe de plongée : le cœur ralentit et le sang est redirigé vers le cerveau et le cœur.
• Un volume d’air maîtrisé. Certains plongeurs expirent avant ou pendant la plongée, ou plaquent leur plumage pour réduire la flottabilité due à l’air piégé.

Le manchot empereur est le champion de la plongée profonde chez les oiseaux, avec des plongées enregistrées à plusieurs centaines de mètres et des durées dépassant 20 minutes. Les oiseaux du jardin n’ont pas besoin de telles adaptations, mais les fuligules et les grèbes huppés d’un étang voisin en montrent une version modeste à chaque plongée.

Les oiseaux attrapent-ils des infections respiratoires ?

Oui. Les sacs aériens et les poumons des oiseaux sont sensibles aux moisissures, aux virus et aux bactéries. Trois maladies concernent directement les personnes qui nourrissent les oiseaux : l’aspergillose, liée aux graines moisies, l’influenza aviaire et les mycoplasmes. Des mangeoires propres et des graines stockées au sec limitent nettement les risques.

• L’aspergillose est une infection due à des moisissures du genre Aspergillus, qui se développent dans les graines, les litières ou le foin humides et moisis. Les spores se logent dans les sacs aériens et les poumons, où elles peuvent provoquer une maladie grave. Des graines mouillées et agglomérées dans une mangeoire sont un risque.
• L’influenza aviaire est une maladie virale qui peut toucher notamment l’appareil respiratoire. Les oiseaux d’eau sauvages, les volailles et certains rapaces et charognards sont les plus touchés, mais les oiseaux des mangeoires peuvent l’être aussi. Voir notre guide grippe aviaire et mangeoires pour les recommandations actuelles.
• Les mycoplasmes sont des bactéries qui causent des maladies respiratoires chez les volailles ; une souche provoque les yeux gonflés et croûteux observés chez le roselin familier aux mangeoires d’Amérique du Nord.

Des mangeoires propres, des graines fraîches et un stockage au sec réduisent ces risques.

Idées reçues et réalité sur la respiration des oiseaux

Pourquoi les oiseaux sont-ils si sensibles aux fumées toxiques ?

Parce que leur respiration est très efficace. Avec un flux d’air continu dans les poumons et une barrière très mince entre l’air et le sang, un oiseau absorbe vite ce que contient l’air, y compris les gaz et les fumées toxiques. C’est pour cette raison que les mineurs emportaient autrefois des canaris pour repérer le monoxyde de carbone.

Aujourd’hui, ce sont surtout les oiseaux de compagnie qui en font les frais. Les fumées d’une poêle antiadhésive surchauffée, les aérosols, la fumée de tabac ou les bougies parfumées peuvent les intoxiquer en peu de temps. Gardez la cage loin de la cuisine et aérez la pièce sans placer l’oiseau dans un courant d’air.

Qu’est-ce que cela change pour les observateurs et les propriétaires d’oiseaux ?

Beaucoup de choses concrètes. Comme un oiseau respire en bougeant ses côtes et son sternum, il ne faut jamais lui serrer le thorax. Son poumon très efficace le rend aussi vulnérable aux fumées, aux aérosols et aux pesticides, et ses sacs aériens aux moisissures. Quelques gestes simples protègent donc les oiseaux sauvages comme les oiseaux de compagnie :

1. Ne serrez jamais le corps d’un oiseau. Comme il doit bouger ses côtes et son sternum pour respirer, le tenir fermement autour du thorax peut l’étouffer. Si vous devez déplacer un oiseau blessé, soulevez-le doucement dans un linge et placez-le dans un carton aéré. Nos guides que faire d’un oiseau blessé et j’ai trouvé un oisillon expliquent comment le manipuler sans danger.
2. Surveillez une respiration difficile. Un oiseau de la mangeoire dont la queue monte et descend fortement à chaque respiration, qui garde le bec ouvert ou reste longtemps en boule peut être malade. Voir oiseau malade à la mangeoire pour savoir quoi faire.
3. Attention aux fumées à l’intérieur. Les oiseaux de compagnie sont vulnérables aux fumées des poêles antiadhésives surchauffées, aux aérosols, aux bougies parfumées et à la fumée. Les vétérinaires aviaires conseillent largement de tenir les oiseaux loin de la cuisine.
4. Gardez les mangeoires propres. Les graines moisies peuvent abriter des champignons comme Aspergillus, capables d’infecter les sacs aériens et les poumons. Stockez les graines au sec et nettoyez régulièrement les mangeoires.
5. Évitez les pesticides près des mangeoires. Les pulvérisations peuvent nuire rapidement aux oiseaux, précisément parce qu’ils respirent si efficacement.

L’essentiel en bref

• Les oiseaux ont des poumons petits et rigides et, en général, neuf sacs aériens.
• L’air traverse le poumon des oiseaux dans un seul sens.
• Une même bouffée d’air met deux cycles respiratoires complets à traverser le système.
• Les oiseaux n’ont pas de diaphragme et respirent en bougeant côtes et sternum.
• L’échange à courants croisés aide les oiseaux à extraire efficacement l’oxygène.
• Des oies à tête barrée ont été suivies en vol à environ 6 000 mètres au-dessus de l’Himalaya.
• Les alligators ont eux aussi un flux d’air à sens unique dans les poumons.
• Cette respiration efficace rend les oiseaux sensibles aux toxiques de l’air, d’où les canaris des mines de charbon.

Sources

• Farmer et Sanders (2010), Unidirectional airflow in the lungs of alligators, Science
• Hawkes et al. (2011), The trans-Himalayan flights of bar-headed geese, PNAS
• O’Connor et Claessens (2005), Basic avian pulmonary design and flow-through ventilation in non-avian theropod dinosaurs, Nature
• USGS, résumé de Hawkes et al. (2011), The trans-Himalayan flights of bar-headed geese
• Weber State University, cours d’ornithologie : Avian Respiration (sacs aériens, deux cycles, courants croisés)
• Cornell Lab of Ornithology, All About Birds
• Oiseaux.net, encyclopédie des oiseaux