Les oiseaux, maîtres du ciel, grâce à des poumons en boucle

Un siècle en arrière, des chercheurs perçaient à jour l'un des secrets des oiseaux : leur système respiratoire. Chez l'humain, les flux d'airair oscillent au rythme de la respiration. Inspiration, flux d'air en arrière, expiration, flux d'air en avant. Chez les oiseaux, l'air ne se déplace que dans un sens, « même lorsqu'ils inspirent et expirent », précise Leif Ristroph, professeur de mathématiques et coauteur d'une étude révélant les coulisses du système.

Ce procédé, bien plus efficace que nos poumons de mammifères cloués au sol, est propulsé par une structure particulière. Leur voie respiratoire est en boucle. « Cela leur permet d'effectuer l'activité la plus difficile et la plus coûteuse en énergieénergie du règne animal : ils peuvent voler. Et ils peuvent le faire à travers des océans et des continents entiers, à des altitudes aussi élevées que le mont Everest, où l'oxygène est bien moindre. »

Ces bronches sont alimentées en air par des sacs aériens, chargés d'accueillir l'air lors de l'inspiration et de l'expulser lors de l'expiration. Les sacs aériens sont présents en amont et en aval des bronchesbronches. Le flux d'air effectue une grande boucle unidirectionnelle. « Ce vent aère même les recoins les plus profonds en apportant de l'air frais », observe Leif Ristroph.

Les oiseaux possèdent jusqu'à dix sacs aériens. Situés en amont et en aval des bronches — ici indiquées par « parabronches » —, ils créent un trajet en boucle pour l'air. Le sens de déplacement de cet air est visualisé par une flèche. Lors d'une première inspiration, l'air rentre dans les sacs postérieurs, puis une première expiration l'envoie dans les bronches. Une seconde inspiration éjecte l'air dans les sacs antérieurs, avant qu'une seconde expiration l'expulse hors du système respiratoire. Ainsi, l'air n'a circulé que dans un sens. © Glafoululle des Alpes, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Des boucles et des tourbillons

Les chercheurs ont exploré ces mouvementsmouvements en imitant la respiration des oiseaux. Par des tuyaux, ils ont reproduit leur structure en boucle. Les flux d'air ont été modélisés par des courants d'eau, agrémentés de microparticules pour visualiser la direction de l'eau. La « respiration » se transformait bel et bien en flux à sens unique autour des boucles.

« Le réseau a des boucles et des jonctions, qui sont un peu comme [les voies de sortie et d'entrée sur l'autoroute] où les flux ont le choix de l'itinéraire à emprunter », visualise le mathématicienmathématicien. Des simulations informatiquessimulations informatiques ont permis de mieux comprendre les mécanismes impliqués. « L'inertieinertie a tendance à amener les flux à continuer tout droit plutôt de tourner dans une rue latérale [...] Cela conduit à des flux et à une circulation à sens unique autour des boucles, de par la façon dont les jonctions sont reliées au réseau », développe Anand Oza, également coauteur.

Ces « rues latérales » sont obstruées par un vortexvortex, c'est-à-dire que le fluide qui s'écoule tourbillonne. En l'occurrence, le fluide concerné n'est autre que l'air. La perte et l'apparition d'un vortex d'air aux jonctions des boucles serviraient de valves pour orienter la direction dudit air. S'il y a un vortex, l'air continue son chemin. S'il n'y a pas de vortex, la voie est libre et l'air s'y engouffre.