Puisque les baleines sont des mammifères, elles doivent respirer dans l’air, comme nous. Leur système respiratoire a donc un fonctionnement semblable à celui des mammifères terrestres, mais il possède des adaptations spécifiques à leur vie sous-marine.

Lors de l’inspiration, l’air passe par l’évent, le conduit nasal, le larynx, la trachée, et finalement les poumons. À l’expiration, c’est le trajet inverse! Chez les grands rorquals, le cycle inspiration-expiration ne prend qu’une à deux secondes. En plus, les baleines ont la capacité de renouveler 90% de l’air de leurs poumons à chaque inspiration. À titre comparatif, les humains ne renouvèlent que 10 à 15 % de l’air.

L'évent

L’évent ou les évents des baleines sont l’équivalent des narines. Les baleines à fanons possèdent deux évents alors que les baleines à dents en possèdent un seul. Le deuxième conduit nasal des baleines à dents a changé de fonction au cours de l’évolution : il sert à l’écholocalisation.

Au cours de l’évolution, les évents ont migré sur le dessus de la tête, facilitant ainsi la respiration à la surface de l’eau. Les baleines ne peuvent pas respirer par la bouche, puisque leur système digestif et leur système respiratoire ne sont pas connectés, contrairement aux mammifères terrestres. L’évent débouche sur le nasopharynx, ou conduit nasal.

Lorsque les muscles sont détendus, l’évent est fermé par des bouchons fibreux, empêchant ainsi l’eau d’entrer dans le système respiratoire. La baleine doit activement ouvrir son évent en contractant les muscles qui l’entourent. Contrairement aux mammifères terrestres, la respiration chez les baleines est donc consciente.

Le sac laryngé

Seulement présent chez les baleines à fanons, le sac laryngé est une structure extensible qui peut contenir de l’air. Il est associé au larynx, entre l’évent et la trachée, et est entouré de muscles. Son volume peut donc être modifié par la contraction ou la relaxation de ces muscles. La fonction du sac laryngé est encore discutée par les scientifiques.

Le sac laryngé pourrait contribuer à produire et amplifier des sons chez les baleines à fanons. Les changements de volume du sac permettraient de modifier l’intensité et la fréquence des ondes sonores. Cette hypothèse est appuyée par une structure similaire chez les grenouilles qui leur permet de produire leurs chants bien caractéristiques. Les singes se serviraient aussi de leur sac laryngé pour émettre des hurlements sans hyperventiler.

Les baleines à fanons pourraient également utiliser leur sac laryngé pour contrôler leur flottabilité lors des plongées. Pour ce faire, la baleine pourrait fermer le passage entre le sac laryngé et les poumons, emprisonnant ainsi une quantité d’air fixe dans le sac laryngé. Ensuite, elle pourrait diminuer le volume du sac laryngé, ce qui comprime l’air et augmente la pression. La partie avant du corps de la baleine devient donc plus «dense» que l’arrière, ce qui lui permet de plonger. Pour remonter, elle pourrait faire le contraire en augmentant le volume du sac. Cette adaptation physiologique s’apparente à la vessie natatoire des poissons, un diverticule associé à l’œsophage qui leur permet d’ajuster leur flottabilité.

Les poumons

L’air passe du larynx à la trachée, un tube entouré de cartilages et de muscles. La trachée se divise ensuite en deux bronches qui entrent dans les poumons. Les bronches se ramifient en bronchioles qui mènent à des alvéoles, sortes de petits sacs dans lesquels les échanges gazeux ont lieu : l’oxygène diffuse des poumons vers le sang et le dioxyde de carbone prend le chemin inverse.

Les poumons des baleines sont proportionnellement moins volumineux que ceux des mammifères terrestres, ce qui peut paraitre contre-intuitif, considérant leurs grandes habiletés de plongée. Mais des poumons de petite taille permettent justement de minimiser les tensions liées à l’augmentation de la pression dans les profondeurs.

L’augmentation de la pression lors d’une plongée comprime les alvéoles. L’air se retrouve alors poussé vers les bronchioles et les bronches, qui ne s’affaissent pas sous la pression, en raison de leur paroi cartilagineuse. Les échanges gazeux sont donc grandement réduits lors des plongées, ce qui limiterait les risques d’accident de décompression.

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