E10 Flottabilité et vessie natatoire

Topique

La flottabilité est le contrôle de la force verticale nette qu'un poisson subit dans un fluide. Elle est fondamentale pour que le poisson maintienne sa position dans la colonne d'eau en dépensant le moins d'énergie possible. Le principe d'Archimède stipule que tout corps immergé subit une force de poussée verticale égale au poids du fluide qu'il déplace. Pour qu'un poisson soit en flottabilité neutre – c'est-à-dire pour que la force verticale nette qui s'exerce sur son corps soit nulle – il doit ajuster sa densité moyenne à celle de l'eau environnante, une densité qui varie selon la température, la salinité et la profondeur.

La vessie natatoire est l'organe qui permet au poisson d'effectuer cet ajustement de densité moyenne : c'est une chambre à gaz, composée principalement d'oxygène, de dioxyde de carbone et d'azote, dont le volume est contrôlé par le poisson grâce à deux structures : le rete mirabile et la glande à gaz.

Le volume de gaz dans la vessie natatoire obéit à la loi de Boyle, qui stipule qu'à température constante, le volume d'un gaz est inversement proportionnel à la pression qui le comprime. Lorsqu'un poisson descend, la pression hydrostatique exercée par l'eau sur son corps augmente car cette pression dépend de la densité de l'eau, de la gravité et de la profondeur. Cette augmentation de pression comprime le gaz contenu dans la vessie natatoire, la réduisant et diminuant ainsi la poussée d'Archimède, ce qui la rend plus dense que l'eau environnante.

Pour retrouver sa flottabilité neutre, le poisson doit sécréter davantage de gaz dans sa vessie natatoire, un processus qui consomme de l'énergie métabolique supplémentaire.

Le temps de réaction de la vessie natatoire à un changement de profondeur, limité par la vitesse à laquelle le rete mirabile peut y sécréter du gaz, est précisément le facteur biologique qui détermine la vitesse à laquelle le poisson peut remonter ou descendre en toute sécurité sans perdre sa flottabilité.

Tous les poissons n'ajustent pas le volume de leur vessie natatoire de la même manière : les poissons physostomes, dont la vessie natatoire reste reliée à l'œsophage, peuvent ajuster ce volume en avalant ou en rotant directement des gaz, tandis que les poissons physoclistes, dont la vessie natatoire est dépourvue de cette connexion, dépendent exclusivement du rete mirabile pour obtenir le même ajustement.

Le comportement attendu est que même une faible erreur de flottabilité, de l'ordre de deux à cinq pour cent du poids du poisson, l'oblige à déployer un effort musculaire continu pour maintenir sa position verticale dans l'eau, avec un coût métabolique qui augmente avec le carré de ce déséquilibre de flottabilité. Ainsi, tout écart par rapport à la condition de flottabilité neutre introduite au début de ce modèle finit par imposer au poisson une dépense énergétique qui augmente beaucoup plus rapidement que l'écart lui-même.

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