E4 Coût énergétique de la natation (COT)

Topique

Le coût du transport quantifie l'énergie métabolique qu'un poisson doit dépenser pour déplacer une unité de sa propre masse sur une unité de distance. Il constitue l'indicateur thermodynamique principal de l'efficacité de son déplacement. Contrairement aux mammifères terrestres, chez lesquels le coût du transport inclut le travail effectué contre la gravité, chez les poissons, ce coût reflète principalement le travail fourni pour lutter contre la résistance hydrodynamique et les pertes d'énergie liées à la génération du sillage propulsif décrit dans un modèle précédent de cet ouvrage.

Le modèle physique de Tucker décrit ce coût du transport comme la somme de deux termes : le métabolisme basal du poisson, indépendant de sa vitesse de nage, et un terme de puissance mécanique qui croît avec le cube de cette vitesse. Ce second terme croît si rapidement car la puissance dépensée par le poisson pour lutter contre la résistance est le produit de la force de traînée et de la vitesse de nage. Or, cette même force de traînée étant déjà proportionnelle au carré de la vitesse, le produit de la force et de la vitesse croît finalement avec le cube de la vitesse de nage.

En divisant la puissance totale par la vitesse de nage pour obtenir le coût de transport par unité de distance parcourue, on observe un minimum sur la courbe résultante, qui définit la vitesse de croisière optimale du poisson : géométriquement, cette vitesse optimale correspond au point de tangence entre la droite issue de l’origine et la courbe de puissance totale. À des vitesses inférieures à cette vitesse optimale, le coût de transport est principalement déterminé par le métabolisme basal, qui reste constant tant que la distance parcourue par unité de temps est faible ; à des vitesses plus élevées, en revanche, la résistance de l’eau devient prépondérante, sa croissance quadratique avec la vitesse finissant par surpasser le métabolisme basal constant. De plus, le coût de transport est proportionnel à la masse corporelle du poisson selon une loi de puissance : les poissons plus grands ont un coût de transport spécifique plus faible, c’est-à-dire un coût par unité de masse plus faible, que les poissons plus petits, et cet avantage énergétique est précisément ce qui permet aux espèces de grande taille d’effectuer des migrations sur de longues distances.

L'efficacité globale du système de conversion de l'énergie chimique en nage — produit de l'efficacité de conversion de l'énergie chimique du muscle en travail mécanique et de l'efficacité hydrodynamique de propulsion décrite dans le modèle de propulsion par vortex présenté dans cet ouvrage — détermine en définitive la fraction de l'énergie chimique stockée dans l'adénosine triphosphate (ATP) du muscle qui est convertie en travail propulsif utile, plutôt que dissipée sous forme de chaleur ou d'énergie cinétique déposée dans le sillage.

On s'attend à ce que le coût de transport atteigne sa valeur minimale, la vitesse de croisière optimale mentionnée précédemment, soit environ une demi-longueur de corps par seconde. Les valeurs typiques de ce coût se situent entre un dixième et cinq joules par kilogramme de masse déplacée et par mètre parcouru, selon l'espèce de poisson et la température de l'eau.

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