Les poissons ont des oreilles
Les oreilles servent à entendre et les poumons servent à respirer, voilà bien une évidence! Mais l’évolution n’a que faire des évidences; elle a pris l’habitude de détourner les organes de leur fonction première selon les opportunités du moment. D’ailleurs, on sait depuis longtemps que la fonction première des oreilles internes des vertébrés n’est pas d’entendre. Chez les premiers d’entre eux, exclusivement aquatiques, cet organe est utilisé pour s’orienter dans un monde tridimensionnel et pour percevoir les mouvements du corps. Cette fonction est toujours celle de la partie de notre oreille interne appelée le «labyrinthe». Constitué de trois canaux semi-circulaires orientés dans les trois dimensions de l’espace, le labyrinthe nous renseigne sur la position et les mouvements de notre corps.
De l’utilité de posséder une bulle d’air dans le corps
Beaucoup de vertébrés, mais pas tous, ont dans leur corps une poche remplie d’air, ou d’un gaz de composition proche de celle de l’air, qui est reliée, ou pas, au tube digestif. Chez les poissons, elle est nommée vessie natatoire, ou vessie gazeuse, et a pour fonction première d’ajuster la densité de l’animal, ce qui lui permet de contrôler sa position dans la colonne d’eau sans trop d’effort. Chez les vertébrés terrestres, cette poche est toujours en relation avec l’extérieur et le renouvellement de son air permet les échanges gazeux avec le sang: ce sont les poumons que nous utilisons pour respirer.
Détournement de fonction
Chez les poissons, la vessie natatoire a parfois d’autres fonctions que celle de contrôler la flottabilité du corps dans la colonne d’eau. Il faut préciser à ce stade de la démonstration que dans l’eau, les ondes sonores ont tendances à traverser le corps des poissons sans s’y arrêter car la matière qui constitue les animaux est composée essentiellement d’eau. Pour percevoir les sons, il est nécessaire de posséder un espace dans le corps qui a une densité et une nature différente de celle de l’eau, par exemple une poche remplie de gaz. Ça tombe bien, c’est justement le cas de la vessie gazeuse! La fonction première liée à la flottabilité de la vessie est alors détournée durant l’évolution de certains animaux. Chez les sardines et les anchois, par exemples, la vessie s’étend à l’avant du corps et pénètre dans la boîte crânienne où elle forme une paire de petites bulles de gaz qui s’appliquent contre les oreilles internes, améliorant ainsi l’audition.
Des spécialistes de l’audition subaquatique
Plus de la moitié des poissons d’eau douce dans le monde appartiennent à un groupe nommé «ostariophysaires». Ce grand groupe englobe les characiformes (piranhas et apparentés), les siluriformes (les poissons chats), et les cypriniformes (carpes et compagnie), plus quelques autres. Chez eux, l’audition sous l’eau est très perfectionnée car une petite chaîne d’osselets, appelée appareil de Weber, facilite la transmission des ondes sonores depuis la vessie gazeuse jusqu’à l’oreille interne. Ce mécanisme ressemble un peu à l’oreille moyenne des mammifères avec ses trois osselets, le marteau, l’enclume et l’étrier qui transmettent les vibrations du tympan jusqu’à l’oreille interne. Si la carpe est muette, elle n’est pas sourde…
Le poumon des cœlacanthes
Depuis longtemps on sait que les cœlacanthes des temps anciens possédaient un poumon ossifié. Plus précisément, le poumon était recouvert de plaques osseuses disposées comme les tuiles d’un toit. On suppose que la fonction de ces plaques était d’agir comme un soufflet qui augmente et diminue successivement le volume du poumon. Logiquement, ce poumon est interprété comme un organe utilisé pour la respiration, une hypothèse d’autant plus justifiée que les cœlacanthes sont situés dans la lignée évolutive des vertébrés qui, au Dévonien, sont sortis de l’eau et ont adopté une respiration aérienne (les tétrapodes). Il faut alors imaginer ces anciens cœlacanthes s’approchant de la surface de l’eau et «gobant» des bouffées d’air, comme le font encore de nos jours certains poissons.
Dans le cadre de la thèse de Luigi Manuelli effectuée au Muséum d’histoire naturelle de Genève et qui portait sur l’étude de cœlacanthes bien préservés du Trias de Lorraine, nous avons eu accès au synchrotron de Grenoble (ESRF) (voir photo ci-dessous). Il s’agit d’une très grosse machine qui fonctionne comme un accélérateur de particules et qui, grâce à un rayonnement de rayons X très puissants, permet de visualiser en trois dimensions et avec une très haute résolution des fossiles encore pris dans la roche.
Suite à cette analyse, deux espèces ont été décrites par Luigi avec une précision inédite grâce à cette méthode. Mais dans cette étude anatomique, un petit détail a été volontairement passé sous silence car il méritait des investigations supplémentaires. Il s’agit de la présence de deux petites ailes osseuses fichées sur le dessus du poumon ossifié (voir photo ci-dessous), tout à l’avant, qui devaient probablement s’appuyer contre la chorde du poisson (l’équivalent de la colonne vertébrale, mais sans corps vertébraux ossifiés). Quelle fonction pouvait bien avoir ces ailes osseuses?
L’oreille des cœlacanthes
Retournons 70 ans dans le passé. Après la découverte dans l’Océan Indien d’un genre de cœlacanthe nommé Latimeria, une description très minutieuse de son anatomie a été publiée sous la direction du professeur Millot, du Muséum national d’histoire naturelle (MNHN) à Paris. En examinant l’arrière de la boîte crânienne de l’animal, les chercheurs ont découvert un étonnant canal rempli de liquide qui relie les deux oreilles internes entre elles, logiquement nommé le canal communiquant. Ils ont comparé cette structure à ce que l’on observe chez les poissons ostariophysaires qui entendent grâce à leur vessie gazeuse. Mais, en l’absence d’une «bulle de gaz» située derrière la tête qui aurait pu servir de caisse de résonnance, les scientifiques ont rapidement abandonné l’hypothèse d’une fonction auditive similaire à celle des ostariophysaires. C’est seulement récemment qu’un petit organe, perdu au milieu des viscères abdominales de Latimeria, a été reconnu et identifié comme un poumon atrophié. Si ce dernier est si petit et non-fonctionnel, c’est probablement qu’il est devenu inutile pour un poisson qui a changé de milieu de vie au cours de son évolution, passant de la surface de l’eau vers les profondeurs.
Combiner les données du passé et du présent
Comme les deux pièces d’un puzzle qui s’assemblent, les ailes ossifiées observées sur le poumon des cœlacanthes fossiles et le canal communiquant présent sur le poisson vivant actuel forment ensemble un système sensoriel à part entière, comparable à l’appareil de Weber des ostariophysaires. Certes, le canal communiquant n’a pas été observé sur le fossile car cette partie de la boîte crânienne était cartilagineuse, donc difficilement fossilisable. Mais le grand conservatisme de cette partie du squelette des cœlacanthes au cours de leur évolution (qui leur a valu le sobriquet de «fossiles vivants») nous permet de supposer que ce canal était bien présent dans les espèces fossiles (ce canal, d’ailleurs, a été observé sur une espèce au crâne fortement ossifié qui vivait au Dévonien, il y a 380 millions d’années.)
Grâce à des données synchrotrons de spécimens de Latimeria chalumnae conservés au MNHN, obtenues il y a déjà plusieurs années, Luigi a également segmenté (c’est-à-dire reconstitué virtuellement les structures tridimensionnelles) les oreilles internes et les structures associées chez cette espèce actuelle (voir figure ci-dessous). Les détails du canal communiquant, ses relations avec les organes sensoriels de l’oreille interne et les parcours des nerfs ont été reconstruits par ce moyen. Tout indique qu’il s’agit là des restes, probablement plus fonctionnels en raison de l’absence de poumon développé, d’un organe auditif percevant les ondes sonores du poumon, lorsque celui-ci était encore présent.
En conclusion
Sur la base de ces observations, nous suggérons que des cœlacanthes du Trias étaient capables, comme les carpes et autres silures, d’entendre sous l’eau grâce à une connexion entre la «bulle gazeuse» située dans leur abdomen (en l’occurrence un poumon ossifié) et leur oreilles internes. Cette découverte ouvre un champ de recherche en lien avec l’histoire évolutive de notre propre lignée car les cœlacanthes sont évolutivement assez proches et ressemblent un peu à notre ancêtre poisson. Cet ancêtre commun possédait-il un poumon qui lui permettait d’entendre sous l’eau? Peut-être. Et, question plus audacieuse encore, la fonction première des poumons aurait-elle pu être uniquement l’audition, la capacité respiratoire apparaissant dans un second temps seulement? Des découvertes et des études à venir nous l’apprendront, peut-être…
Cette étude publiée dans Communications Biology est le résultat d’un énorme travail de reconstitutions virtuelles effectuées par Luigi Manuelli à partir d’images de fossiles et de spécimens actuels de Latimeria obtenues grâce au synchrotron ESRF de Grenoble. Luigi et l’auteur de ces lignes ont ensuite interprété dans un premier temps ces données, qui ont ensuite été commentées et critiquées par divers spécialistes qui ont signé cette étude. Il s’agit notamment de Gaël Clément et Marc Herbin, tous deux du MNHN à Paris, spécialistes des cœlacanthes actuels et éteints ; de Bernd Fritzsch, grand spécialiste étasunien de l’anatomie et de la physiologie des oreilles internes de vertébrés ; de Per E. Ahlberg, paléontologue suédois spécialiste de la sortie des eaux chez les vertébrés ; et bien sûr de Kathleen Dollmann, qui a supervisé tout le travail d’imagerie synchrotron à l’ESRF de Grenoble.
Pour aller plus loin, vous pouvez écouter le podcast intitulé « Des cœlacanthes fossiles entendaient grâce à leur poumon » paru dans l’émission CQFD de la RTS.
→ Article disponible en open access: Manuelli, L., Mondéjar Fernández, J., Dollman, K., Jakata, K., & Cavin, L. (2024). The most detailed anatomical reconstruction of a Mesozoic coelacanth. PloS one, 19(11), e0312026.
→ Article disponible en open access: Manuelli, L., Clément, G., Herbin, M., Fritzsch, B., Ahlberg, P. E., Dollman, K., & Cavin, L. (2026). A dual respiratory and auditory function for the coelacanth lung. Communications biology.