Introduction générale Principales contraintes Adaptations physiologiques Accidents de plongée

Grand cachalot Physeter macrocephalus De manière plus pragmatique: le cachalot est le plus grand des odontocètes Ordre : Cétacés Sous-ordre : Odontocètes le plus grand représentant

Profondeur maximale : 3000 m Apnée maximale : 2 h Champion de la plongée Profondeur maximale : 3000 m Apnée maximale : 2 h Vitesse de sonde : 150m/min Vitesse de remontée : 120m/min Les raisons qui m ’ont poussé à choisir le cachalot comme animal de référence pour l ’apnée profonde c ’est à dire la capacité de retenir sa respiration longtemps et de pouvoir descendre dans les abysses marines sont que cet animal est le champion toute catégorie que ce soit en durée d ’apnée 90 voire 120 min ou en profondeur avec des évidences jusqu ’à -1136 m (111 atm.) et des suivis écho jusqu ’à -3000 m.

La particularité la plus significative d ’un point de vue physionomique est sa tête, d ’ailleurs souligné par son nom scientifique macrocephalus ou grosse tête. Elle occupe le tier antérieur mais n ’a quasiment pas de structure osseuse. En fait elle contient un reservoir d ’huile le spermaceti qui a un rôle essentiel dans la plongée

Baleines à bec: baleine à bec de Cuvier, de Gervais Espèces pélagiques peu connues Profondeur : -1885 m. (« record officiel 2006 »)

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Contraintes majeures et particularités de la plongée Fluidité dans le milieu : densité de l ’eau 800 x > densité de l’air Augmentation de la conductibilité thermique : eau 25 x > air Augmentation pression hydrostatique : 1 bar / 10 mètres Les contraintes du milieu aquatique ont imposé aux mammifères marins des adaptations très particulières. Parmi celles-ci, la densité de l ’eau 800 fois supérieure à celle de l’air a contribué au fuselage du corps afin qu’il devienne hydrodynamique. La conductibilité thermique de l’eau étant 25 fois supérieure à celle de l ’air, les mammifères marins ont développé une protection thermique et processus d ’économie de la chaleur. Pour pouvoir poursuivre leurs proies et chasser en profondeur, ils préservent leur oxygène pour le système nerveux central, le reste des organes pouvant travailler en anaérobiose. Ils ne sont pas sensibles aux accidents de décompression et contrôle parfaitement leur respiration.

- Apnée prolongée : 90 minutes - Plongée profonde et azote - Apnée, hypercapnie et contrôle de la respiration - Optiquement « milieu noir »

Vitesse de remontée : 140 m./min !!! (homme: 10-20m./min) Profondeur: Dauphin : -100 et -200 m., max. : -600 m. Vitesse de remontée : 140 m./min !!! (homme: 10-20m./min) Phoque commun: -200m. Eléphant de mer: -300m. Phoque de Weddell: -600m. Record absolu : - cachalot : plongée moyenne : -400 à -500 m. Mais évidence sûre : -1136 m., supposé jusqu ’à -3000 m. Baleine à bec: -1885 m. (2006) Homme (apnéiste): Poids constant: -111 m. (09/12/2006) No limits: -183m. (28/8/2006) Ces différentes adaptations expliquent ainsi les capacités de plongées exceptionnelles des mammifères marins tant du point de vue de la durée de l ’apnée que de la profondeur atteinte. Ainsi, bien qu ’ils plongent à des profondeurs moyennes de 100 à 200 mètres, les dauphins peuvent atteindre -600 mètres. Tandis que les cachalots chassent au alentour de 400 à 500 mètres de profondeur mais peuvent dépasser 1000 mètres de profondeur (cachalot coincé mort sous un cable tranatlantique à -1136 mètre) ou même selon certains atteindre 3000 mètres (suivit par echolocation). Chez le dauphin, le temps passé sous l ’eau atteint 15 minutes sans aucun problème. Le record içi est encore détenu par le cachalot avec des apnées maximales rapportées de 90 minutes, peut-être même 120 minutes. A côte, les capacités d  ’apnée de l ’homme paraissent bien faibles avec une profondeur maximale de 70 mètres voire de 115 avec un poids et des durées maximales atteignant 6 minutes voire quasiment 14 minutes après un séjour d ’une demi heure en caisson hyperbare. En plus, dans ces conditions l ’homme ne fait aucun effort car il s ’agit d ’apnée statique.

Durée d’apnée Dauphin : 15 min. Phoque commun: 28 min. Eléphant de mer: 40 min. Phoque de Weddell: 73 min. Record absolu : cachalot : 90 min à 120 min. Homme: apnée statique: 9 min.04 sec. (13/12/2006) 13 min. 45 sec. (caisson hyperbare)

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Fluidité dans le milieu : Comment être hydrodynamique ? Réduction des frottements : corps fusiforme membres postérieurs absents peau glabre à écoulement laminaire pas d’organes externes (pavillon auditif, organes génitaux* et mamelles**) * refroidissement des testicules ** éjection du lait Pour devenir hydrodynamique, leur corps est devenu fusiforme. La réduction du cou et des membres antérieurs forme un « coin » permettant la pénétration aisée dans l ’eau sans l ’obstacle formé par les épaules. L ’absence de poil chez les cétacés et d ’organes extérieurs accentuent encore cette pénétration. Les mâles n ’ont pas d ’organes génitaux externes, le pénis étant rangé dans un fourreau placé entre la sangle musculaire abdominale et la peau tandis que les testicules sont internes. Un système vasculaire à contre-courant assure le refroidissement des gonades. En effet, les veines de retour de la peau (sang froid) forme un plexus autour des artères afférentes du testicules et refroidissent ainsi le sang artériel. Quant aux femelles, elles n ’ont pas de mamelles extérieures mais un réseau de myofibrilles très développé permet l ’éjection du lait directement dans la bouche de son jeune. L ’absence de gravité a réduit la fonction de soutien du squelette et proportionnellement, il est fortement réduit par rapport aux mammifères terrestres. Quant à la masse musculaire elle est proportionnellement plus présente.

2. Performances musculaires accrues 3. Augmentation de la densité : rôle mineur du rôle de soutien du squelette « atrophie »

Augmentation de la conductibilité thermique 1. Réduction des pertes thermiques: pas de membres inférieurs corps cylindrique Réduction de la surface corporelle Epaisseur de graisse et circulation hypodermique 2. Economie de la chaleur: Deux raisons expliquent la réduction de la surface corporelle. La première est due à l ’absence de membres inférieures et la réduction des membres supérieures. L ’autre vient du fait que le volume corporel s ’inscrit dans un cylindre où le rapport surface/volume très faible permet un grand volume par rapport à la surface. Autrement dit, pour un volume corporel semblable, la surface externe sera plus petite si le volume s ’intègre dans un cylindre plutôt que dans un cube. Or, c ’est via la surface externe que les pertes calorifiques peuvent se réaliser. En plus, pour diminuer les pertes, une épaisse couche de lard (blubber) isolent les mammifères marins sur quasiment toute leur surface. Cette couche peut atteindre 30 cm sur les individus les plus grands. En plus, une circulation particulière permet de réguler la fonction thermo-isolante de cette graisse. En effet, une double circulation existe, l ’une en surface de la peau et une autre, plus profonde, sous la couche de graisse. Lorsque l  ’animal se trouve dans un environnement froid, la circulation la plus superficielle est déviée ( shunt) et le sang n ’est pas refroidi. Lorsqu ’il se trouve dans un environnement chaud, la circulation passe dans le réseau superficiel permettant ainsi le refroidissement. Les nageoires, principalement les pectorales jouent un rôle essentiel dans la thermorégaltion. Les artères afférentes sont entourées de plexus veineux formés par les veines de retour, formant un système à contre-courant permettant l ’échange thermique similaire à celui permettant le refroidissement des testicules. Ainsi « équipé », il apparaît que les mammifères marins ont un bilan thermique positif (sauf lorsqu ’ils sont fortement émaciés) Sinus vasculaires et contre-courant artères-veines: extrémités irriguées par sang « froid » 1 + 2 = bilan thermique positif

Pabsolue = Patm (1 bar) + Prelative (1 bar/10 m.) Augmentation pression hydrostatique Pabsolue = Patm (1 bar) + Prelative (1 bar/10 m.) Cachalot à 1000 m : 101 bars!!! Loi de Boyle et Mariotte : Pression x Volume = constante 1. Réduction des espaces aériens -Pas de sinus aérien, ni d’os pneumatique (barotraumatisme chez l’homme) 2. Renforcement des voies respiratoires et du parenchyme pulmonaire - Anneaux cartilagineux complets bronchioles terminales La pression absolue résulte de la somme de la pression atmosphérique, stable au niveau de la mer (1 bar) et de la pression hydrostatique. Celle-ci est fonction de la colonne d ’eau au dessus de l ’animal et varie de 1 bar par 10 mètres d ’eau. Ainsi, à une profondeur de 100 mètre la pression est de 11 bar. Un cachalot plongeant à 1000 mètres subit 101 bar autrement dit 101 kg par cm2. Pour pouvoir résister à ces pressions gigantesques, tous les espaces squelettiques (sinus, oreille) contenant de l ’air ont disparu ou ont été fortement réduits afin d ’éviter les barotraumatismes. Ceux-ci surviennent lorsqu ’il y a un déséquilibre entre la pression absolue et la pression à l ’intérieure d ’une cavité. En effet, suivant la loi de Boyle et Mariotte, lorsque la pression augmente, le volume diminue. Dans un sinus osseux, le volume étant fixe, la technique du valsalva permet d’équilibrer les pressions. Si l’équilibre ne peut être réalisé (rhume,…), la dépression intrasinusale provoque une congestion vasculaire accompagnée d’hémorragie. Chez les mammifères marins les sinus non comblés contiennent des lacunes vasculaires qui se remplissent de sang lors de la plongée, permettant ainsi l ’équilibre des pressions. Les voies respiratoires sont renforcées grâce à des anneaux cartilagineux jusqu ’aux bronchioles terminales tandis que le parenchyme est riche en travées interstitielles et que la plèvre est épaisse. La cage thoracique est très souple permettant son écrasement en fonction de l ’évolution de la pression absolue. Finalement, les rete mirabilis sont à géométrie variable. En effet, lors de la plongée, l ’afflux sanguin provoque l ’expansion des réseaux dans la cavité thoracique occupant l ’espace laissé libre par le collapsus.

3. Disposition de la cage thoracique - Double incurvation des côtes = « accordéon » collapsus pulmonaire complet (-70 m) 4. rete mirabile à géométrie variable (« blood shift »): double rôle: 1. réserve de sang (thoracique) 2. occupe les « espaces libérés » (oreille)

1. Caractéristiques de la respiration Apnée prolongée 1. Caractéristiques de la respiration 1.1. Comparaison dauphin-homme « Un dauphin, à volume pulmonaire égal, en inspirant 3 fois plus d ’air frais dont il tire deux fois plus d ’oxygène, profite six fois plus que l ’homme du contenu de chaque inspiration » Stenuit Plusieurs éléments interviennent dans les capacités d ’apnée prolongées des mammifères marins. En premier lieu, il s ’agit des caractéristiques physiologiques et anatomiques propre de l ’appareil respiratoire. La capacité pulmonaire totale est jusqu ’à 40% supérieure avec un volume résiduel moindre, augmentant d ’autant la capacité vitale. De plus, l ’efficacité de renouvellement de l ’air est 4 fois supérieure. En effet, à chaque respiration, 80% de l ’air est remplacé chez le dauphin contre 15% chez l ’homme. L’irrigation des alvéoles est double, les capillaires étant présents sur les 2 faces des alvéoles. Ainsi, l ’extraction de l ’oxygène atteint 10% chez le dauphin (5% chez l ’homme). Finalemnt, la réduction des espaces morts (absence de sinus, trachée courte) améliore encore la capacité pulmonaire. 1.2. Meilleure efficience des échanges Rapidité de l ’échange de la barrière alvéolo-capillaire et double vascularisation des alvéoles 1.3. Réduction de l ’espace mort

2. Caractéristiques du sang - taux d’hémoglobine - affinité de l ’hémoglobine pour O2 - volume sanguin 3. Affinité de la myoglobine pour O2 (muscle = réservoir à O2 ) 4. rete mirabile réseaux admirables = réservoir de sang Distribués le long des vertèbres Assure l ’irrigation cérébrale 5. Hypothermie progressive: réduction du métabolisme Sang : enrichi en O2 La teneur est hémoglobine est légèrement plus élevée chez les dauphins comparativement à l ’homme ( 13 à 17 g/100ml et 12 à 15 g/ml, respectivement). De plus, son pouvoir oxyphorique (affinité pour l ’oxygène) est supérieur chez les mammifères marins par rapport à l ’homme. Cet effet révèle sans doute la moindre teneur en 2,3 diphosphoglycérate (diminue l ’affinité de l ’hémoglobine pour l ’oxygène) dans l ’hémoglobine de dauphin. Finalement, le volume sanguin est plus important atteignant 100 à 180 ml/kg chez les mammifères marins contre 70ml/kg chez l ’homme. L ’oxygène peut être également stocké au niveau de la myoglobine musculaire. Celle-ci est particulièrement présente chez les mammifères marins, dépassant jusqu ’à 8 fois la quantité observée chez l ’homme. C ’est cette richesse en myoglobine qui donne la couleur rouge foncée à noir de leurs muscles . Ils forment un réservoir supplémentaire en oxygène, la moitié de l ’oxygène y étant stocké (40% au niveau de l ’hémoglobine). Le dernier point permettant d ’expliquer la capacité de stockage de l ’oxygène vient de l ’existence de réseaux admirables rete mirabile, constitués de plexus vasculaires et disséminées partout dans le corps. Ils assurent de nombreux rôles tels que le stockage de l ’oxygène, la vascularisation de l  ’encéphale, …