La respiration des Ptérosauriens
Section transversale de l'humérus d'un Ptérosaurien. 1 - paroi de l'os, 2 - travée osseuse.
Section réalisée grâce à un scanner dans le bassin fossilisé du Ptérosaurien Anhanguera santanae (Crétacé inférieur). Notez les larges foramen qui s'ouvrent à la surface de l'ilion gauche. (d'après Claessens et al 2009)
Des os creux ...remplis d'air
Sur les sections des fossiles de Ptérosauriens on observe que beaucoup d'os sont creux. La paroi est soutenue par des travées osseuses très fines et les cavités communiquent avec l'extérieur par des orifices que l'on appelle des foramens. Chez les Vertébrés, les cavités des os sont remplies par la moelle rouge ou la moelle jaune mais elles ne communiquent pas avec l'extérieur. Les seuls orifices qui perforent la paroi osseuse sont ceux des veines et des artères. Les Oiseaux, par contre, possèdent également un réseaux de cavités avec des foramen. Chez eux, des tubes remplis d'air pénètrent par les foramens. Les cavités ne sont pas remplies de moelle mais d'air, les os sont pneumatisés ce qui diminue leur masse. Les os des Ptérosauriens étaient donc pneumatisés et aussi lègers que ceux des oiseaux.
Tomographie scanner d'une vertèbre d'Anhanguera santanae révélant un foramen (a) et de nombreuses cavités dans la masse osseuse (b). (d'après Claessens et al 2009)
Des sacs remplis d'air
Chez les Oiseaux, les tubes (ou diverticules) qui pénètrent dans les os communiquent avec de grands sacs remplis d'air, les sacs aériens. Chaque sac aérien est directement relié à une bronche par un court canal. Il en existe jusqu'à six paires réparties dans le thorax et l'abdomen. La paire abdominale envoie des diverticules dans le bassin et les vertèbres lombaires et sacrées, la paire cervicale dans les vertèbres cervicales et la paire claviculaire (généralement fusionnée en un seul sac) dans l'humérus.
La présence d'os pneumatisés chez les Ptérosauriens montre qu'ils possédaient des sacs aériens abdominaux (pneumatisation des vertèbres lombaires et sacrées et du bassin), cervicaux (pnematisation des vertèbres cervicales et thoraciques) et un sac équivalent au sac claviculaire (les Ptérosauriens n'ont pas de clavicules) puisque l'humérus et les os du bras sont pneumatisés. Ce sac envoyait sans doute des diverticules dans la membrane alaire pour alimenter en air le tissus spongieux (Claessens et al 2009). Cela devait à la fois alléger et rigidifier l'aile à la manière d'un matelas gonflable.
Ces grands sacs remplis d'air allégeaient l'animal mais peut-être jouaient-ils aussi un rôle dans la respiration.
Tronc et appareil respiratoire de Rhamphorhynchus. d'après Claessens et al 2009 modifié (les sacs aériens ont été reconstitués en prenant modèle sur ceux de la Poule).
Une respiration comparable à celle des Oiseaux?
Le fonctionnement du poumon des Oiseaux est très particulier. Chez les Mammifères et l'Homme en particulier, la bronche qui pénètre dans chacun des poumons se divise un grand nombre de fois pour donner de très fines bronchioles se terminant par un sac alvéolaire. C'est à travers la paroi très fine de ce sac que s'effectue les échanges gazeux entre l'air du sac et le sang contenu dans les capillaires. L'appareil respiratoire est en cul de sac ce qui n'est pas très efficace pour renouveler l'air des sacs alvéolaires.
Dans la bronche tertiaire, vue en 1 en coupe longitudinale, viennent s'ouvrir de nombreuses vésicules aériennes ou atria comme celles fléchées en 2. (Copyright: FUNDP)
Mouvement d'un volume d'air inhalé dans l'appareil respiratoire d'un Oiseau. Il faut deux cycles respiratoires pour que le gaz parcourt la totalité de l'appareil respiratoire (d'après Bretz et Schmidt-Nielsen, 1972)
L'appareil respiratoire des Oiseaux est singulier.
Chez eux la bronche qui pénétre dans chacun des deux poumons ne se divise que deux fois et l'air n'effectue pas un va et vient dans les poumons mais au contraire les traverse de part en part à l'intérieur des bronches tertiaires. Les échanges gazeux se font à travers la paroi des bronches tertiaires boursouflée par les atria équivalents des alvéoles pulmonaires des Mammifères. Ici pas de cul de sac et donc un meilleur renouvellement de l'air. Les échanges sont encore améliorés par le fait que le sang circule en sens inverse de l'air. La concentration en dioxygène du sang croit sans cesse tout le long de son trajet au contact de la bronche.
Quel rôle jouent les sacs aériens?
Ils fonctionnent comme des soufflets. Les sacs de la partie postérieure de l'animal envoient l'air dans les bronches tertiaires tandis que les sacs de la partie antérieure l'y en aspire. Il faut deux cycles respiratoires pour que l'air parcourt la totalité du circuit. L'appareil respiratoire des Oiseaux est tellement efficace qu'il leur permet de voler à très haute altitude, là où la pression partielle en dioxygène est tellement basse que vous y mourriez asphyxié. Une Oie barrée n'a nul besoin d'un masque à oxygène pour survoler l'Himalaya!
Les Ptérosauriens étaient sans doute homéothermes, volaient aussi bien que les Oiseaux, possédaient des os pneumatisés et des sacs aériens. Il est tentant de penser que leurs poumons fonctionnaient comme ceux des Oiseaux. Nous n'en auront jamais la certitude sauf si un jour un paléontologue très chanceux découvre les restes momifiés d'un poumon de Rhamphorhynque. En attendant notre esprit nous permet d'imaginer... et de rêver.