Physionomie et besoin en énergie du colibri
La physionomie est l’ensemble des caractères, des aspects particuliers qui distinguent une chose d'une autre. Ici nous étudierons la physionomie du colibri et ses besoin en énergie.
Afin de produire de l'énergie, il faut au colibri des nutriments, du sucre (glucose) et du dioxygène. Ceci s’applique pour la plupart des êtres vivants excepté les végétaux. Ces éléments doivent être acheminés aux muscles pour être convertis en énergie. C’est le sang qui permet de véhiculer les éléments essentiels aux muscles. Pour comprendre comment le colibri produit de l’énergie pour battre des ailes, nous allons étudier la circulation sanguine.
La circulation sanguine
L’air est composé de 20% de dioxygène. En inspirant de l’air, le colibri gonfle ses poumons : c’est la ventilation pulmonaire. Une fois arrivé dans les alvéoles, le dioxygène traverse la paroi des alvéoles pulmonaires pour aller se fixer à une molécule d’hémoglobine présente dans les globules rouges qui affluent dans les capillaires (vaisseaux sanguins très fins).
La circulation sanguine est assurée par un organe majeur : le cœur. Ce dernier est aussi appelé myocarde (qui étymologiquement signifie muscle du cœur) : en effet c'est un muscle. Le cœur joue le rôle de pompe refoulante: il pompe le sang et le renvoie. Le sang riche en dioxygène provenant des poumons est apporté au cœur par le biais des veines pulmonaires. Une fois dans le cœur, le sang riche en dioxygène est propulsé dans les artères, pour aller irriguer les organes et muscles du colibri. Le sang qui ressort des organes et des muscles est pauvre en dioxygène et riche en CO2 : les organes, dont les muscles, se sont approprié le dioxygène. De plus, le sang ressort des muscles aussi appauvri en glucose et en nutriments.
Les muscles utilisent les éléments apportés par le sang pour se contracter et se relâcher. Un battement d’aile sollicite les muscles-pectoraux, les biceps et les triceps. Lors de l'effort du colibri (lorsqu'il vole), la circulation générale se modifie. L'irrigation des muscles est favorisée par rapport à l'irrigation des autres organes. Par exemple, il y a moins de sang apporté aux organes de l'appareil digestif.
La modification de la circulation générale n'est pas suffisante au colibri pour avoir l'énergie nécessaire à la contraction de ses muscles, il y a également la fréquence cardiaque qui s'adapte aux besoins des muscles. Plus le coeur bat vite, plus le colibri respire vite et plus l’apport en dioxygène est important.
Une source d'effort, un corps adapté
Les battements d’ailes du colibri vont de 50 à 200 par seconde. Or, si l'on compare un colibri battant 50 fois des ailes par seconde en vol “classique” à un colibri battant 200 fois des ailes par seconde en vol stationnaire, celui battant 200 fois par seconde aura besoin de plus d'énergie, sa circulation sanguine se verra accélérée.
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Un colibri ayant 200 battements d’ailes par seconde a une fréquence cardiaque : FC(200)=1260bpm=1260/60bps=21bps
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Un colibri ayant 100 battements d'ailes par seconde a une fréquence cardiaque : FC(100)=FC200/2=1260/2=630bpm=630/60bps=10,5bps
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Un colibri ayant 50 battements d'ailes par seconde a une fréquence cardiaque : FC(50)=FC100/2=630/2=315bpm=315/60bps=5,25bps
Si le colibri arrive à pomper le sang à de telles vitesses, c'est parce qu'il a le plus gros cœur de tous les oiseaux, correspondant à 2,4% de sa masse corporelle. Si l'on compare le colibri au corbeau, on s’aperçoit que le cœur du corbeau correspond seulement à 1% de sa masse totale, soit 2,4 fois moins que le colibri.
Les muscles les plus sollicités pour un battement sont les muscles-pectoraux. Ces derniers représentent 25 à 30% de la masse totale de l'oiseau-mouche: ils sont presque “surdéveloppés”. C'est pourquoi il peut effectuer autant de battements d'ailes dans de si courts intervalles de temps. A titre de comparaison, la masse des muscles-pectoraux d'un homme de corpulence moyenne correspond à 5% de sa masse corporelle.
Comme nous l'avons vu, le colibri dépense énormément d'énergie (proportionnellement à sa taille) pour la contraction de ses muscles. Mais le milieu du colibri n'est pas toujours très chaud. Lorsque l'oiseau-mouche rencontre de faibles températures, il perd de la chaleur. Or, le colibri a une température corporelle très élevée, comprise entre 40 et 42 degrés Celsius. Mais quand la température de l'air ambiant diminue, l'énergie thermique que dégage le colibri se transmet à l'air environnant.
Donc s'il veut garder sa température corporelle élevée, il doit produire plus d'énergie afin de compenser avec celle qu'il a perdue. Cependant, l’oiseau mouche doit économiser sont énergie pour le vol, il baisse ainsi sa température corporelle afin de réduire un maximum l'écart de température et limiter les pertes en énergie inutiles. Il conserve toutefois une température adéquate à ses métabolismes. Dans un cas extrême, il passe dans un état de vie ralentie nommé léthargie. Mais un organisme vivant, même inactif, a besoin d'énergie pour assurer ses fonctions vitales et métabolismes de base.
Afin de mieux comprendre la suite de notre sujet, définissons quelques termes. Un substrat est une espèce chimique qui réagit avec un réactif afin de former un produit. Deux réactions sont dites couplées lorsque le produit d'une des réactions est le substrat de l'autre. Les métabolismes sont l'ensemble des réactions couplées s'effectuant dans les cellules de l'organisme. Une fonction vitale est une fonction assurant la vie : comme son nom l'indique, un organisme ayant des fonctions vitales défaillantes meurt dans les minutes qui suivent la défaillance. C'est pourquoi le colibri, avant de passer en léthargie, fait des stocks de nutriments afin d'assurer ses fonctions vitales et ses métabolismes de base en état de léthargie.
Des ornithologues québécois tels que Arthur C. BENT auraient observé des colibris résistant à des températures avoisinant 0 degré Celsius, et des chutes de neige de 15cm grâce à leur période de torpeur (autre nom donné à la léthargie). Mais cette léthargie est en majorité nécessaire au colibri pour surmonter les nuits froides. Pour que son métabolisme revienne à la normale à son réveil, il faut attendre entre 40 minutes et 1 heure.
Un taux de métabolisme correspond à la quantité de métabolismes effectués par unité de temps. Le colibri est un oiseau à sang chaud, et a le taux de métabolisme le plus élevé des animaux à sang chaud après la musaraigne. Donc le colibri a le taux de métabolisme le plus élevé de tous les animaux après la musaraigne.
Les apports énergétiques
Le colibri est un oiseau qui se dépense de manière affolante. Chaque jour, il consomme en moyenne une quantité de sucre équivalent à la moitié de sa masse. Il se nourrit 120 à 192 fois par jour. Une période d’alimentation dure en moyenne 45 secondes et peut atteindre 1 minute. Si l’on comparait le colibri à l’Homme, on obtiendrait des besoins alimentaires hors du commun. Un homme de taille moyenne et de masse moyenne (1.75m, 80kg) devrait consommer 130kg de hamburgers par jour. Un colibri a besoin de 3 calories par jour pour la plus petite espèce (le colibri d'Hélène), et 8 calories par jour pour la plus grande (le colibri géant des Andes).
L'énergie nécessaire au colibri pour contracter ses muscles est produite par le métabolisme de respiration cellulaire. La respiration cellulaire est constituée de trois étapes: la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire.
La glycolyse s'effectue dans le cytoplasme des cellules. Lors de cette étape, se déroulent des réactions d'oxydoréduction. Une réaction d'oxydoréduction est une réaction au cours de laquelle un oxydant cède des électrons à un réducteur. Un oxydant et un réducteur sont deux molécules.
Ici, l'accepteur d'électrons NAD+ (qui est aussi un coenzyme) est réduit :
Ensuite se déroule une réaction de phosphorylation d'ADP. Il se forme quatre molécules d’ATP mais deux sont utilisées lors de la réaction. Cette molécule d’ATP est la molécule qui contient l'énergie nécessaire au colibri pour contracter ses muscles. On comprend donc que le but est de former le maximum d’ATP.
Enfin, le glucose se transforme en 2 molécules de pyruvate. Cette réaction dans le cytoplasme produit deux molécules d'adénosine triphosphate (ATP).
La réaction :
Couplée à la réaction :
Donne au final :
*( Ici, il y a un pyruvate CH3COCOO- et un acide pyruvique CH3COCOOH ). L'oxydation du glucose en pyruvate est incomplète, car elle est encore sous forme de molécule organique.
On peut noter que le colibri a besoin de glucose et d'eau afin d'assurer ses métabolismes énergétiques, et que ces derniers sont présents en abondance dans le nectar des fleurs dont il se nourrit. La glycolyse est une étape préalable de la respiration cellulaire, car elle permet la production de pyruvate dans les mitochondries où se situe la respiration cellulaire. La quantité d’ATP produite en glycolyse ne suffit pas pour produire toute l'énergie nécessaire à l'oiseau-mouche pour contracter ses muscles, il en produit bien plus par la suite.
La prochaine étape est le cycle de Krebs. Cette étape se déroule dans la matrice mitochondriale.
Le cycle de Krebs est un cycle produisant les éléments nécessaires à la chaîne respiratoire. On le qualifie de cycle car le pyruvate est transformé en citrate, qui lui-même est transformé à la fin de l'enchaînement de réactions en oxaloacétate. Cet oxaloacétate est retransformé en citrate et continue donc le cycle qui produit des électrons et du NADH, nécessaires à la chaîne respiratoire. L'équation bilan de ce cycle se note :
Enfin, la dernière étape, celle qui produit le plus de ATP est la chaîne respiratoire. Cette étape se déroule au niveau des crêtes membranaires de la mitochondrie. Les molécules réduites lors des étapes précédentes cèdent leurs électrons et protons à une chaîne de transporteurs (nommée chaîne respiratoire).
(La membrane mitochondriale interne est la même entité que la crête membranaire de la mitochondrie).
La dernière molécule (dioxygène) accepte des électrons en produisant de l'eau. En effet, l'expulsion des ions H+ et e- engendre un gradient de pH, une augmentation du potentiel hydrogène, quand on se rapproche de l'ATP synthétase. Cette réaction est couplée à la production d’ATP par l'ATP synthétase.
Pour résumer la respiration cellulaire par une équation bilan, on a :
