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Comment dorment les animaux ?

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Comment dorment les animaux ?

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Cet article est issu du magazine Sciences et Avenir – Les Indispensables n°202 daté octobre/ décembre 2020.

Les cétacés ne dorment que d’un œil

L’ignorance peut être fatale ! Dans les années 1970, des dauphins ont péri en captivité parce qu’on a voulu les soigner… sous anesthésie. Ils mouraient, victimes d’asphyxie ! On ignorait alors que les cétacés, mammifères des mers, respirent de manière consciente, contrairement aux mammifères terrestres, qui n’y pensent jamais. Le neuroscientifique américain John Lilly fut le premier à étudier le sommeil des dauphins et autres cétacés, dès 1964. Il observa que les dauphins ne dorment littéralement que d’un œil.

Les études menées ultérieurement sur des cétacés captifs ont montré que leur sommeil s’installe en ondes lentes dans un seul hémisphère cérébral, tandis que l’autre est parcouru d’ondes rapides typiques de l’éveil. Les périodes de sommeil alternent à égalité d’un hémisphère à l’autre, par épisodes de moins d’une heure, une dizaine de fois par jour. Soit cinq épisodes de sommeil par hémisphère. Cela permet aux animaux de remonter régulièrement respirer à la surface, d’éviter de heurter d’autres cétacés nageant avec eux et de rester actifs, de manière à conserver une température corporelle de mammifères dans un environnement froid qui les menace à tout moment d’hypothermie.

Le jet-lag du plancton

Chaque jour, les larves du ver Platynereis dumerilii migrent de la surface vers les profondeurs, à l’abri des rayons ultraviolets nocifs durant la journée. Et c’est la mélatonine, « l’hormone du sommeil », qui régit ces déplacements. En 2014, des chercheurs de Heidelberg (Allemagne) ont visualisé dans le cerveau des larves un changement de l’activité de neurones moteurs, répondant à la mélatonine, entre le jour et la nuit. Produite la nuit, cette hormone ralentit les battements de cils qui permettent à la larve de se déplacer verticalement, et celle-ci coule vers les profondeurs. Le jour, sans production de mélatonine, les battements s’intensifient et la font remonter vers la surface.

Exposées, en laboratoire, à la mélatonine durant la journée, les larves ont adopté un comportement nocturne, comme si elles étaient en décalage horaire ! Les cellules sensibles à la lumière, connectées à celles qui produisent la mélatonine, procéderaient donc comme chez les humains : certaines de nos cellules situées derrière la rétine sont en effet liées à la zone cérébrale de production de mélatonine. Il est donc possible que les mécanismes qui contrôlent nos rythmes veille-sommeil aient évolué dans l’océan, il y a des centaines de millions d’années…

Dormir en volant… et réciproquement

Certaines espèces d’oiseaux sont capables de voler des jours durant sans jamais se poser. Le martinet peut ainsi demeurer dix mois dans les airs, la sterne arctique accomplit chaque année l’aller-retour entre l’Arctique et l’Antarctique, tandis que le puffin fuligineux peut parcourir 65.000 kilomètres autour du Pacifique ! Ces oiseaux n’ont-ils donc jamais besoin de dormir en vol ? Une partie de la réponse a été apportée, en 2016, par une équipe menée par Niels Rattenborg de l’Institut Max-Planck d’ornithologie de Seewiesen (Allemagne). Les chercheurs ont jeté leur dévolu sur les frégates superbes des îles Galápagos, qui passent des semaines à voler sans escale au-dessus de l’océan à la recherche de poissons volants et de calamars. Problème : ces oiseaux ne peuvent à aucun moment se poser sur l’eau, leur plumage n’étant pas étanche.

Les scientifiques ont attaché sur la tête des frégates un petit appareil de mesure des mouvements de tête et des changements dans l’activité cérébrale, et les ont équipées d’un GPS fixé sur leur dos, destiné à indiquer leur position et leur altitude. Les oiseaux ont parcouru pour certains près de 3000 kilomètres, volant sans se poser jusqu’à dix jours d’affilée. Les enregistrements ont révélé que si, le jour, ils restent éveillés à la recherche active de nourriture, la nuit… ils dorment, mais selon une étonnante succession de périodes de sommeil lent de quelques minutes, qui s’active généralement dans un seul hémisphère à la fois, parfois dans les deux simultanément, lorsque les oiseaux utilisent la convection des cumulus pour gagner de l’altitude sans battre des ailes. Ce qui montre, concluent les auteurs, « que le sommeil unihémisphérique n’est pas nécessaire pour maintenir le contrôle aérodynamique ». Il est tout de même plus fréquent en vol qu’au sol. Pourquoi ? Parce qu’il permet de mieux se diriger. En effet, l’hémisphère relié à l’œil faisant face à la direction du virage demeure alors en éveil – sans doute pour surveiller le cap – tandis que l’autre dort.

Ces phases de sommeil lent sont interrompues par des épisodes de sommeil paradoxal de quelques secondes durant lesquels les frégates abaissent leur tête sans que cela modifie leur direction. Autre découverte : les frégates en vol ne dorment en moyenne que 42 minutes par jour, contre plus de 12 heures à terre. C’est donc que leurs vols sans escale les privent largement de sommeil… sans que cela semble altérer leur comportement. De quoi faire rêver bien des humains.

Insomniaques insectes

Le sommeil semble être un phénomène universellement partagé dans le monde animal. Mais est-ce pour autant une fonction vitale ? Peut-on survivre sans dormir ? C’est à cette question que tente de répondre une étude publiée en 2019 dans Science Advances. Menée par le biologiste français Quentin Geissmann et ses confrères de l’Imperial College de Londres, elle s’est plus spécialement penchée sur le sommeil des mouches à fruits ( Drosophila melanogaster ). Des expériences avaient été menées préalablement avec des chiens, des rats, des cafards, des pigeons et des mouches à fruits déjà, mais les résultats s’étaient avérés insuffisants. Pour quatre des cinq espèces testées, les expériences de privation de sommeil avaient pris fin avec la mort prématurée des animaux, sans que l’on sache si celle-ci était réellement due au manque de sommeil. En effet, les rats et les chiots présentaient des signes évidents de souffrance, « ce qui rend difficile de déterminer si la létalité est causée par la simple suppression du sommeil ou par les procédures invasives et stressantes utilisées pour garder les animaux éveillés », expliquent les auteurs. Idem pour les cafards ( Diploptera punctata ), le cocktail stress et fatigue étant un facteur mortel connu pour certaines espèces de blattes. Chez les pigeons, en revanche, la privation de sommeil ne s’était pas révélée mortelle.

Les chercheurs ont cette fois utilisé un dispositif de suivi vidéo associé à un ordinateur capable de détecter l’activité de marche des mouches, mais aussi les micromouvements de lissage d’ailes et d’alimentation – l’absence de mouvement est largement utilisée comme marqueur de sommeil dans le monde animal. Ils ont analysé l’activité de 881 mouches femelles et 485 mâles, et mis en évidence que le sommeil des mouches était lié au cycle jour-nuit et non au simple repos. Par ailleurs, les mâles dorment au moins deux fois plus (une dizaine d’heures) que les femelles. « La distribution de la quantité de sommeil chez les femelles a révélé une fraction jusqu’alors non décrite de dormeurs extrêmement courts : 50 % des mouches femelles dormaient moins de 20 % du temps et 6 % dormaient moins de 5 % du temps (72 minutes par jour) », soulignent les chercheurs. Plus étonnant encore : trois mouches dormaient respectivement de 4 à 15 minutes par jour. De grandes insomniaques ! Autre résultat inattendu : l’absence de sommeil n’est pas forcément synonyme d’une moindre espérance de vie… en tout cas pour les mâles. En effet, les mouches mâles privées de sommeil n’ont pas succombé plus tôt que leurs congénères témoins ayant dormi tout leur soûl. Les femelles, en revanche, ont perdu en moyenne trois jours de vie, sur une durée totale de 40 à 50 jours.

Pas de repos pour les maquereaux 

Les poissons n’ont ni paupières, ni structures cérébrales complexes capables de produire une activité électrique typique du sommeil. Pourtant, en 1976, Colin Shapiro, directeur du département de recherche sur le sommeil au Western Hospital à Toronto, au Canada, a remarqué que ses tilapias du Mozambique avaient l’habitude, le soir, de venir se poser sur le fond de leur aquarium. Il a noté alors une fréquence respiratoire plus basse, une absence de mouvements oculaires et une diminution de la sensibilité aux stimuli. Par la suite, de nombreuses autres espèces de poissons ont été observées en état d’inertie.

La plupart sont diurnes ou nocturnes, « bien que l’inactivité, pendant la période de repos, soit rarement absolue, souligne dans un article Stéphan Reebs, chercheur à l’université canadienne de Moncton. Ce serait une erreur de croire que tous les poissons dorment, ou que dormir est une activité aussi incontournable chez les poissons que chez les mammifères. »

Certains ne dorment apparemment jamais, tel le maquereau de l’Atlantique, sensible à tout moment aux perturbations ou à la présence de nourriture. D’autres patientent jusqu’à l’âge adulte, comme les tilapias de Colin Shapiro qui ont attendu vingt-deux semaines. D’autres encore ne se reposent pas pendant la migration, tel le tautogue noir, ou durant la saison de frai et d’élevage des juvéniles, comme cela a été observé pour l’épinoche à trois épines, le cichlidé arc-en-ciel, la barbotte brune et diverses espèces de demoiselles. Enfin, certains poissons peuvent alterner repos diurne et nocturne en fonction de la disponibilité des aliments, comme le poisson rouge.

On a souvent avancé que le cerveau profite du sommeil pour consolider, dans la mémoire, les choses apprises pendant l’éveil. Or les espèces pélagiques nagent dans un environnement « monotone, avec des kilomètres d’eau libre et peu de choses à faire, souligne Stéphan Reebs. Chez elles, l’apport sensoriel est si faible qu’il est possible que la mémoire se consolide même si elles nagent, sans dormir au sens traditionnel du terme. » Enfin, des recherches récentes suggèrent que les poissons aveugles des cavernes, eux, ont quasiment perdu le sommeil. Sans doute parce qu’ils ne peuvent distinguer le jour de la nuit…

Otarie à fourrure : un sommeil vraiment paradoxal

Il semblait établi jusqu’à récemment que le sommeil paradoxal, associé au rêve, était vital pour les mammifères, même si son utilité n’est pas précisément connue. Mais une étude publiée en 2018 par des chercheurs russes et américains a remis cette certitude en question, du moins pour les otaries à fourrure du Nord (Callorhinus ursinus). À terre, ces animaux du nord du Pacifique dorment comme les autres mammifères : leurs deux hémisphères cérébraux, simultanément, alternent sommeil lent et paradoxal. Mais, lorsqu’ils sont en mer, c’est-à-dire la majeure partie du temps, ils se comportent comme des cétacés, ne dormant que d’un hémisphère à la fois. Ils se positionnent légèrement sur le flanc, un œil dirigé vers le bas, l’autre vers le ciel. L’hémisphère correspondant à l’œil du bas reste en éveil pour surveiller la survenue éventuelle d’un prédateur, tandis que l’autre est en phase de sommeil.

Des chercheurs de l’université de Californie à Los Angeles ont équipé des otaries d’un enregistreur de diverses données physiologiques (électroencéphalogramme, électrocardiogramme, électromyogramme, etc. ). Ils ont découvert que lorsque le mammifère est en mer, « il réduit considérablement son sommeil paradoxal pendant des jours ou des semaines… et peut même s’en passer », indiquent-ils dans leur article publié dans la revue Current Biology. Sans même, lors de son retour sur terre, avoir besoin de récupérer, ou très peu…

Cette découverte conforte l’hypothèse selon laquelle cette phase servirait à réchauffer le cerveau lors d’un sommeil bilatéral, lorsque la température corporelle s’abaisse et que le métabolisme ralentit. En mer, l’otarie à fourrure subit une moindre diminution du métabolisme – la moitié du corps est en alerte – et l’hémisphère qui fonctionne suffit à garder le cerveau au chaud.

La pieuvre prend des couleurs en rêvant

Immobile, ses huit tentacules délicatement enroulés sur le sable, la pieuvre des Caraïbes (Octopus hummelincki) dort paisiblement dans l’aquarium de l’Institut géologique de Westminster, aux États-Unis, ce jour d’octobre 2017. Mais sur la peau du céphalopode s’agencent et se succèdent rapidement des motifs complexes et colorés, allant du rouge brique au blanc translucide en passant par diverses nuances de jaune et de gris-vert. Un tentacule s’agite, les muscles se contractent. Pourtant la pieuvre n’a pas bougé d’un iota, toujours lovée dans les bras de Morphée. Ses couleurs changeantes correspondent-elles à des rêves ou à des réflexes défensifs ?

Dans son livre « Le Prince des profondeurs. L’intelligence exceptionnelle des poulpes », le philosophe des sciences australien Peter Godfrey-Smith témoigne d’une scène équivalente mettant en scène une symphonie onirique de couleurs chez une seiche géante endormie, au large de l’Australie. Une étude dirigée par Marcos Frank, chercheur au département de neurosciences de l’université de Pennsylvanie, aux États-Unis, a observé que les seiches (Sepia officinalis) « affichent de façon transitoire un état de repos avec des mouvements oculaires rapides, des changements de coloration corporelle et des contractions des tentacules, ce qui est peut-être analogue au sommeil paradoxal. Nos résultats suggèrent donc qu’au moins deux états de sommeil différents peuvent exister chez Sepia officinalis ». Or le rêve chez les humains se produit essentiellement pendant le sommeil paradoxal… Les pieuvres et les seiches rêvent-elles de chasse au crabe ou à la crevette ?

Canidé câliné, repos assuré

Des millions de chiens abandonnés échouent chaque année dans des refuges, dont plus de 10 % finissent euthanasiés faute d’avoir trouvé un foyer pour les accueillir. Pour tenter d’améliorer le taux d’adoption, le laboratoire Canine Science Collaboratory de l’université d’Arizona, aux États-Unis, a décidé d’étudier le comportement des canidés en refuge.

En mars 2019, l’équipe a publié ses résultats dans la revue PeerJ, et montré que l’accueil ponctuel de ces chiens auprès de bénévoles pendant la nuit améliorait la qualité de leur sommeil. Les chercheurs ont mesuré les niveaux de cortisol – l’hormone du stress – des chiens avant et après leur « soirée pyjama ». Que les individus vivent dans un refuge accueillant 600 ou 6000 chiens, la réponse a été la même : ces niveaux ont baissé chez tous les sujets après leur soir de sortie, et la durée de leur temps de repos a significativement augmenté.

Les chiens vivant dans des foyers dorment environ 14 heures par jour, contre moins de 11 heures pour leurs homologues en refuge. Selon les chercheurs, l’environnement bruyant est, comme pour les humains, une cause de stress.

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