La recherche marine se penche sur la façon dont les baleines à fanons géantes filtrent de minuscules organismes

Comment les baleines à fanons géantes et édentées filtrent-elles des milliers de livres de minuscules crevettes après avoir avalé de l'eau de mer ?

La chercheuse postdoctorale de Cal State Fullerton, Shirel Kahane-Rapport, plonge dans la biomécanique de ces filtreurs et comment ils utilisent des fanons pour filtrer les aliments, tels que le zooplancton et les petits poissons, de l'eau de mer. Les réponses pourraient conduire à des systèmes de filtration industriels mieux conçus.

Kahane-Rapport mène son étude sous le mentorat de Misty Paig-Tran, professeur agrégé de sciences biologiques. Le laboratoire FABB (anatomie fonctionnelle, biomécanique et biomatériaux) de Paig-Tran utilise un mélange de techniques d'anatomie et d'ingénierie pour répondre aux questions biologiques sur les performances des animaux marins.

"Les baleines à fanons sont fascinantes. Mais il est étonnant de constater à quel point nous en savons peu sur certains des animaux les plus grands et les plus charismatiques de la planète", a déclaré Paig-Tran. "L'étude de la façon dont les grands animaux filtrent les organismes minuscules nous donne un excellent aperçu de la construction de filtres meilleurs et plus efficaces à usage humain."

La chercheuse principale Kahane-Rapport mène l'étude en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Stanford, où elle a obtenu son doctorat en juin 2021, et de l'Université de Washington.

Leurs recherches visent à définir comment la taille corporelle affecte la biomécanique et les structures anatomiques impliquées dans l'écoulement de l'eau et la capture des proies de cinq espèces de rorquals, une famille de baleines à fanons. Cette famille particulière de baleines comprend la baleine bleue (la plus grande de toutes les baleines et le plus gros animal de tous les temps), le rorqual commun, la baleine à bosse, la baleine grise et le petit rorqual.

Début juillet, Kahane-Rapport a présenté ses recherches à la conférence internationale de la Société de biologie expérimentale à Montpellier, en France. En août, elle présentera à la conférence de la Society of Marine Mammalogy à Palm Beach, en Floride.

Elle a récemment reçu une bourse de recherche postdoctorale en biologie de la National Science Foundation pour poursuivre ses recherches au CSUF pendant les deux prochaines années. Ses recherches incluent également une collaboration avec Paig-Tran sur la biomécanique d'autres grands animaux filtreurs comme les raies manta.

Les baleines à fanons ont un tissu buccal kératinique - la même protéine que l'ongle et les cheveux d'un humain - qui pend du toit de la bouche de la baleine dans des supports à symétrie bilatérale, a expliqué Kahane-Rapport. Les plus grandes plaques de kératine sont positionnées près de la lèvre et les plus petites plaques sont plus proches de la langue. Lorsque la baleine avale d'énormes quantités d'eau de mer, les fanons ressemblant à des poils filtrent ou filtrent la nourriture de l'eau.

"Les bords de la plaque de fanons s'effilochent en poils, ou franges, qui s'emboîtent, créant un tapis dense. Ce tapis permet à l'énorme quantité d'eau engloutie de s'écouler de la bouche et de la gorge élargie, et retient les proies capturées", a ajouté Kahane-Rapport, dont les études doctorales se sont concentrées sur les grandes baleines filtreuses. "Nous ne comprenons pas les mécanismes de ce processus."

Son étude, qui a été soumise pour publication dans une revue scientifique à comité de lecture, a examiné différentes caractéristiques des fanons, telles que l'épaisseur, la longueur et la taille des plaques de kératine, ainsi que les espaces entre chaque plaque.

"Nous avons constaté que ces caractéristiques que nous avons mesurées étaient très différentes entre les espèces. C'est quelque chose auquel vous pourriez vous attendre car ce sont des espèces différentes, mais notre étude le montre avec des preuves statistiques", a-t-elle déclaré.

Pour les chercheurs, l'un des aspects les plus compliqués de l'étude de la filtration des baleines à fanons est de comprendre comment l'eau passe à travers le filtre.

"Lorsque vous étudiez un filtre, vous calculez d'abord la taille du trou - connu sous le nom de pore - que l'eau traverse. Ensuite, vous pouvez déterminer le volume et la vitesse du débit d'eau à travers le filtre", a-t-elle expliqué.

"Dans le cas des baleines à fanons, le filtre est un tapis de poils emmêlés qui émergent des fanons. Ce tapis n'a pas de motif, de structure ou de pore clair, de sorte que les chercheurs n'ont pas été en mesure de calculer le volume et la vitesse de ce filtre."

Pour leur étude, les chercheurs ont généré des tomodensitogrammes du tapis de poils. À l'aide d'un logiciel CT spécialisé et d'une équation plus souvent utilisée par les ingénieurs de filtres industriels, ils ont ensuite pu calculer tous les petits espaces qui apparaissent entre les poils et les additionner pour créer une taille de pore cumulative approximative.

"Nous avons constaté que les plus grosses baleines - les rorquals bleus et les rorquals communs - avaient des pores de plus petite taille que les petites baleines, comme les baleines à bosse", a déclaré Kahane-Rapport. "En conséquence, nos recherches pourraient conduire à la conception d'un filtre pouvant être utilisé pour améliorer les systèmes de filtration artificiels actuels, inspirés par les quantités massives d'eau efficacement filtrées et traitées par ces espèces géantes."

Cette étude permet également aux scientifiques de mieux comprendre les mécanismes d'alimentation de ces animaux écologiquement importants. De plus, leurs travaux portent sur les risques auxquels les baleines sont confrontées face aux menaces d'origine humaine, telles que les polluants dans l'eau, y compris les microplastiques.

"Les baleines à fanons sont des animaux écologiquement importants, et en les comprenant mieux, nous pouvons améliorer non seulement la vie océanique, mais aussi la vie humaine."