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Quel est le rôle des nageoires dorsales chez les cétacés ?

 

ROMAIN DORSALE 

  Afin de faciliter la compréhension du rôle de la nageoire dorsale, il convient d'exposer en prélude les caractéristiques de l'ensemble des organes et appendices permettant le mouvement chez les cétacés.



GENERALITES SUR LES NAGEOIRES.

 

Définition: Une nageoire est un membre en général plat permettant le mouvement et le soutien dans le milieu aquatique.

Différents animaux ont développé des nageoires, notamment:

- la plupart des poissons,

- les mammifères marins (cétacés et pinnipèdes),

- certains reptiles marins (tortues de mer),

- certains céphalopodes (calmars),

- certains oiseaux (manchots).

Tous ces animaux sont pourvus d'un nombre variable de nageoires allant de deux à une dizaine.


  Qu'elles soient fixes ou mobiles, leur rôle général est de stabiliser la nage, permettre la propulsion et les changements de directions, limiter ou éviter les embardées.


 

LE NOMBRE DE NAGEOIRES CHEZ LES CETACES

 

Dans l'ordre des cétacés, deux configurations existent:

- les cétacés à trois nageoires (2 péctorales et 1 caudale), les moins nombreux  (exemples: le belouga, la baleine franche, le narval...)

- les cétacés à quatre nageoires, (2 péctorales, 1 dorsale et 1 caudale), les plus nombreux  (exemples: les différentes espèces de Méditerranée...) qui possèdent tous une nageoire dorsale.

  

   Aucune hypothèse ne permet, a priori, d'affirmer que les animaux possèdant trois ou quatre nageoires benéficient d'un quelconque avantage sur les autres. A l'origine, la nature a fait des choix sûrement dictés par une règle de physique qui nous échappe toujours.

 


LES DIFFERENTES NAGEOIRES DES CETACES

 

positionnement des nageoires copie

 


RAPPEL PRELIMINAIRE DE PHYSIQUE


   Pour bien comprendre le fonctionnement ainsi que l'utilité des différentes nageoires, il convient de comparer les possibilités de déplacement d'un animal marin à celles d'un avion ou d'un oiseau. Se mouvant tous dans trois dimensions dans un fluide, qu'il soit gazeux comme l'air ou liquide comme l'eau, les principes régissant leurs déplacements sont identiques.


   Trois axes de rotation permettent d'orienter tous les déplacements. Ils sont dénommés axes de tangage, roulis et lacet et permettent de se mouvoir dans un espace dans les sens de la hauteur, de la largeur et de la profondeur.

 

TANGAGE

 

ROULIS.jpg

 

LACET.jpg

 

  Tous les déplacements possibles sont la résultante d'un nombre infini de combinaisons dans ces trois axes à laquelle on ajoute la vitesse, obtenue grâce à un moyen de propulsion quelconque. Le plus simple et naturel étant l'attraction terrestre. En effet, c'est le poids des planeurs ou des oiseaux qui leur permet de prendre de la vitesse.

  La densité de l'eau étant beaucoup plus importante que celle de l'air (835 fois supérieure), pour un poids identique, un objet tombera beaucoup moins vite dans un fluide liquide que dans un fluide gazeux. Une énergie beaucoup plus importante en quantité est donc necéssaire afin d'éffectuer tout déplacement dans l'eau.

   En ce qui concerne les animaux marins, le poids a beaucoup moins d'importance. Ils sont, pour la plupart d'entre eux, capables de se stabiliser à un niveau quelconque de la colonne d'eau grâce à divers systèmes internes de gestion de la flottabilité tenant compte de la pression ainsi que de la densité de l'eau.




PARTICULARITES, RÔLES ET UTILITES DES NAGEOIRES DES CETACES


LES NAGEOIRES PECTORALES
pectorales.jpgPectorales de grand dauphin (tursiops truncatus) 

Rôle: au nombre de deux, elles permettent la stabilisation générale, les changements de direction dans les axes de tangage, lacet, roulis et le freinage.


  Les nageoires pectorales des cétacés sont les restes d'anciennes mains et comprennent chacune les os de cinq doigts.

   Bien que ces doigts ne soient pas distincts extérieurement, ces nageoires mobiles sont les principaux organes permettant le changement d'orientation du déplacement ou la rotation.

   Elles jouent  le rôle de l'ensemble des volets d'un avion et leur emplacement ainsi que leur orientation en diagonale leur permettent d'être assimilées aux surfaces dites "canard" (ailerons situés à l'avant) qui équipent  la plupart des avions de chasse modernes leur procurant une très grande maniabilité.

   Les ingénieurs du XX ème n'ont rien inventé.


LA NAGEOIRE CAUDALE

caudale-copie-1.jpgCaudale de cachalot (physeter macrocephalus)


Rôle: unique, elle permet la stabilisation verticale, la propulsion, le freinage, la maîtrise du tangage (avec les pectorales) et, dans une moindre mesure, elle aide aux changements de directions lateraux.


   Non pourvue d'os, elle est mue par un ensemble de muscles dorsaux et abdominaux très puissants. Son débattement, se situant environ entre l'horizontale et 90° vers le bas, lui permet de prendre appui sur l'eau et de génerer la vitesse, donc d'obtenir un déplacement. C'est le moteur de l'animal.

   Une certaine possibilité de rotation du tronçon caudal (dos entre la nageoire caudale et la nageoire dorsale) lui permet aussi d'aider à la manoeuvre dans les trois axes. Dans ce cas, elle peut être comparée à la queue d'un oiseau.


PARTICULARITE

   La nageoire caudale des mammifères marins (et des Pinnipèdes) est particulière et unique chez les animaux marins. 

Celle-ci est orientée horizontalement, alors qu'elle est orientée verticalement chez les poissons osseux et cartilagineux. La pression  sur l'eau assurant la propulsion est ainsi exercée verticalement chez les cétacés et horizontalement chez les poissons.

 

caudale requin blanc copie

 

caudale globicephale noir


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trois raisons peuvent justifier cette orientation :


- Contrairement aux poissons, les mammifères marins  sont amenés à effectuer de permanents allers et retours verticaux afin de respirer en surface. L'axe et le sens de mouvement de cette nageoire favorise les déplacements de ces animaux du fond vers la surface et inversement sans pour autant nuire aux performances de la propulsion.


- Si la nageoire caudale était verticale comme chez les poissons, lors de la nage en surface, sa partie supérieure dépasserait de l'eau et n'aurait plus aucune utilité dans l'air. Dans ce cas, la surface de nageoire utile étant limitée, il en résulterait un manque évident de performances dans la propulsion ainsi qu'une fatigue supplémentaire  pour arriver au même résultat qu'avec une caudale horizontale.


- Nos origines ainsi que celles des cétacés étant communes, les membres inférieurs, ou ce qu'il en reste après des millions d'années d'évolution, se trouvent donc l'un à côté de l'autre et non pas l'un devant l'autre, d'ou la position horizontale de la caudale.


 

LA NAGEOIRE DORSALE

dorsale-droite-OK.jpgDorsale de rorqual commun (balaenoptera physalus) 


Rôle: stabilisation du roulis, aide au lacet.


Appendice développé uniquement dans le milieu marin, c'est la nageoire la plus remarquable  et emblèmatique des cétacés.


Ne comportant ni os ni muscles, sa principale particularité est de ne pas être mobile. Son intérêt est donc souvent incompris ou négligé.


 

   Chez la grande majorité des animaux marins possèdant une nageoire dorsale (hormis les requins par exemple), celle-ci, si elle ne peut entrer en rotation ou s'incliner sur le côté, a au minimum la possibilité de s'abaisser grace aux rayons épineux plus ou moins souples qui la compose et ainsi favoriser l'hydrodynamisme en limitant la trainée (force inverse au déplacement due à la résitance du fluide traversé) à haute vitesse (exemple de la géometrie variable sur certains avions de chasse).

Ceci n'etant pas le cas chez les cétacés, l'intérêt de possèder une dorsale est donc autre.


  S'il est admis que, dans la nature, chaque espèce ou chaque organe a son utilité, il n'y a donc aucune raison plausible permettant de douter que cette nageoire dorsale ait une fonction hydrodynamique ou physiologique.  Si elle n'était d'aucune utilité, elle aurait assûrement disparu au gré de l'évolution. Vu les tailles respectables de certaines d'entre elles, cela n'est apparement pas le cas.

 

   Ne comportant ni os, ni muscles, ni organes internes, l'aspect physiologique de l'utilité de la nageoire dorsale est, a priori, à délaisser.

 

L'aspect hydrodynamique par contre,  n'est pas à négliger.

 

   Le schéma ci-dessous démontre de manière simple l'utilité que peut avoir la dorsale pour aider au virage.

Se situant après les nageoires pectorales qui définissent la direction à prendre et restant aproximativement dans le même axe que celles-ci, un leger décalage d'axe de la dorsale par rapport à la caudale permet une prise hydrodynamique, aussi infime soit-elle, aidant au lacet.


Exemple d'appui de l'eau sur la dorsale pendant un virage à gauche.

force-sur-la-nageoire-dorsale.jpg


   Le deuxième rôle, sûrement le plus important, de cette dorsale, est sa participation à la limitation du roulis involontaire dû aux turbulences, à la stabilisation générale.

  Ces affirmations pourraient être justifiées sans trop de difficultés par la physique et les mathématiques  et etayées par des calculs tenant compte de la vitesse relative de l'animal, de l'angle d'attaque de la dorsale par rapport au flux d'eau, de la surface et de la hauteur de cette dorsale etc...

Peut-être sert-elle aussi à l'appréciation pour l'animal  de la dérive latérale due aux turbulences ou aux courants marins.

 

   Tous les avions et les bateaux à voiles étant équipés de dérives verticales, l'intérêt pour les cétacés de possèder cet appendice naturel et particulier est indéniable.



 

LA TAILLE ET LA SURFACE UTILE DES NAGEOIRES DORSALES CHEZ LES CETACES

DE MEDITERRANEE

 

 

   Si la taille ainsi que la surface relative des nageoires dorsales par rapport à la taille des animaux paraissent être le fruit des hasards de l'évolution, certaines considérations peuvent permettre d'émettre quelques hypothèses permettant d'expliquer l'utilité de possèder des nageoires dorsales différentes suivant les espèces.

 

   Les cétacés de Mediterranée qui nous concernent possèdent quatre principales formes de nageoires dorsales. Leurs caractéristiques sont très différentes du point de vue de leurs tailles,  surfaces et positionnements relatifs à la longueur des animaux.

 

Facteurs ayant pu influencer l'évolution des différents types de nageoires dorsales:

- la taille de l'animal,

- la vitesse qu'il peut et doit atteindre pour capturer ses proies,

- la maniabilité qui lui est necéssaire pour capturer ses proies.

 

Les différents types de nageoires dorsales.


 Nageoire dorsale de Dauphin de Risso

Forme: falciforme, fine.

Hauteur: importante (la plus haute après celle de l'orque)

Largeur: environ deux tiers de la hauteur,

Surface: importante.

Positionnement: à peu près au milieu du dos de l'animal.

Remarques: la trainée préjudiciable aux performances induite par sa hauteur est contrebalancée par sa finesse.


 

 

Forme: falciforme et applatie, épaisse.Nageoire dorsale globicéphale noir

Hauteur: faible.

Largeur: importante, environ deux fois la hauteur.

Surface: très importante.

Positionnement: sur le tiers avant du dos de l'animal.

Remarques: la trainée préjudiciable aux performances induite par son épaisseur est

contrebalancée par sa faible hauteur.


        

Forme: pyramidale, presque inéxistante.Nageoire dorsale de Cachalot

Hauteur: non significative.

Largeur: non significative.

Surface: non significative.

Positionnement: à peu près au tiers arrière de l'animal.

Remarques: utilité peu probable.



Forme: falciforme.Nageoire dorsale de Rorqual commun

Hauteur: faible.

Largeur: faible.

Surface: faible.

Positionnement: à peu près au quart arrière de l'animal.

Remarques: utilité hydrodynamique peu probable.


Constatations.


Tailles relatives  et positionnements des dorsales:

 

Il est possible d'après ces premières constatations de départager les cétacés de Mediterranée en deux groupes:

- les animaux de "petite taille"  (de 1,5 m à 6 m),

- les animaux de "grande taille"  (de 15 m à 25 m).


   Les premiers, qui sont tous des Odontocètes (cétacés à dents), possèdent une nageoire dorsale conséquente positionnée environ à la moitié de la longueur de chaque animal.

Chez les seconds,  qui sont aussi bien des Odontocètes  que des Mysticètes  (cétacés à fanons), il est curieux de constater que la nageoire dorsale est soit petite, soit inexistante et positionnée sur l'arrière de chaque animal.


   L'appartenance aux sous ordres des Mysticètes  ou des Odontocètes, n'a apparement pas de répercussion sur la taille ou le positionnement de la nageoire dorsale.

 

La vitesse.

 

   Celle-ci a une importance primordiale.

  A vitesses et conditions de mer égales, un grand animal est bien plus stable qu'un petit, son poids  et son volume suffisant dans la plupart des configurations à la stabilisation. L'intérêt de posséder une grande dorsale n'est donc pas prouvé chez les grands cétacés. Celle-ci a du évoluer à la diminution proportionnellement à l'augmentation de la taille des différents animaux au fil des millénaires.

   En dehors du comportement de fuite assez rare, les baleines et les cachalots évoluent à une vitesse relative assez lente. Une comparaison avec les animaux terrestres est flagrante: plus ils sont grands ou volumineux, plus ils sont lents proportionnelement à leur taille.

  Les delphinidés, par contre, usent régulièrement et fréquemment de leur possibilité de se déplacer à grande vitesse pour différentes raisons. La taille de leur dorsale ou leur surface utile est donc proportionnelle à la stabilisation nécessaire à la nage rapide. 


dorsales risso

Nageoires dorsales de dauphins de risso (grampus griseus)

 

Maniabilité et surface utile des dorsales.


   Celles-ci sont fonction des besoins necéssaires à chaque méthode de chasse ou de nourrissage ainsi que des types de proies sensiblement différents de chaque espèce.


  Méthodes de nourrissage des espèces.

 

- Baleine (rorqual commun):

sa principale nourriture, constituée de crevettes planctoniques ou de petits poissons regroupés en essaims ou en bancs, ne necéssite ni vitesse ni maniabilité. Il suffit à l'animal d'ouvrir la gueule et d'avancer en ligne droite pour ingurgiter des centaines ou des milliers de proies. La nageoire dorsale n'est d'aucune aide pour ce type de prédation.
- Cachalot:
se nourrissant de calamars ou de poissons à de très grandes profondeurs et localisés grâce à son sens d'écholocalisation (sonar interne), il est pratiquement invisible pour ses proies qu'il peut détecter à très grande distance et capturer en grand nombre en une seule fois. La maniabilité n'est pas nécessaire à cette forme de chasse, pas plus que la nageoire dorsale. Le cachalot a, au fil du temps, perdu tout ce qui pouvait générer de la trainée parasite afin de lui permettre de plonger plus profondement et plus longtemps. Ses pectorales sont de petite taille et pratiquement incrustées dans ses flancs, sa dorsale a disparu (si elle a un jour existé).
- Delphinidés de petite taille:
les proies principales des Dauphins de risso et des globicéphales sont les calamars, vifs et rapides. Ceux-ci se trouvant à des profondeurs faibles ou moyennes, il est probable qu'ils puissent apercevoir leurs prédateurs et tenter de s'enfuir à leur approche. La maniabilité est indispensable à ce type de nourrissage "à l'unité".
Ces deux animaux possèdent les plus grandes surfaces utiles de dorsales des cétacés de Méditerranée.

   Les Grands Dauphins, les Dauphins bleus et blancs et les Dauphins communs se nourrissent souvent en chassant leurs proies. Celles-ci s'enfuient quand elles en ont le temps et la poursuite est inévitable. L'aide au lacet généré par la nageoire dorsale est dans ce cas précieuse. Celle-ci est de taille moyenne et conforme à l'idée qu'on peut généralement en avoir, bien proportionnée et positionnée.

tursiops-dorsale---caudale.jpg
Nageoires dorsale et caudale de grand dauphin
(tursiops truncatus)


CONCLUSION

  Toutes ces considérations nous amènent à conclure que la nature, durant des millions d'années, a permis l'évolution physique des différentes espèces de cétacés en fonction de leurs particularités de nourrissage et/ou de la modification du milieu marin.
  Les nageoires dorsales ont, soit évolué à la hausse, soit à la hausse puis à la baisse, soit disparaissent ou ont déjà disparu.

  D'autres organes ou appendices de nage se modifieront ou feront peut-être leur apparition dans le futur afin de permettre l'adaptation des mammifères marins à de nouvelles façons de chasser (suivant la nourriture qui se trouvera à leur disposition) ou de faire face à un bouleversement ou une mutation de leur milieu naturel.

  Il est aussi probable que ces animaux qui ont suivi un parcours étonnant (à l'origine marins, devenus terrestres puis redevenus marins) retournent un jour à la terre pour différentes raisons, auquel cas, leur nageoire dorsale alors devenue inutile, ne manquera pas de disparaitre.

 


HYPOTHESE ANNEXE NON DEVELOPPEE.


  Les nageoires dorsales, toutes différentes selon les espèces et les individus, ont peut-être une fonction d'aide à la reconnaissance des différents individus entre eux, complémentaire au langage. A ce jour, la cétologie n'en étant qu'à ses balbutiements, rien n'est prouvé et tout est considéré comme possible.

 

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