Les oiseaux sont des animaux profondément importants. En tant que prédateurs, pollinisateurs, disperseurs de graines, charognards et bio-ingénieurs des écosystèmes, les 11 000 espèces d’oiseaux du monde jouent un rôle essentiel dans la chaîne alimentaire et donc dans l’existence de la vie animale.
Ils ont également façonné le progrès des sociétés humaines sur le plan culturel, philosophique, artistique, économique et scientifique. Les oiseaux occupent une place prépondérante dans l’histoire de la peinture, de la poésie, du commerce et de la musique.
Puisqu’ils peuvent facilement s’échapper d’habitats inadaptés, les oiseaux sont d’importants animaux « sentinelles »: le nombre et la diversité des espèces indiquent la santé de l’environnement. BirdLife International Rapport sur l’état des oiseaux du monde pour 2022 dit qu’environ la moitié de toutes les espèces d’oiseaux sont en déclin et que plus d’une sur huit d’entre elles sont menacées d’extinction.
La connaissance de la biologie des oiseaux et de leur place dans les écosystèmes contribue à l’élaboration des efforts de conservation. La biologie explique pourquoi les animaux se comportent comme ils le font et ce qui menace leur survie.
L’un des aspects de la biologie des oiseaux qui intéresse depuis longtemps les scientifiques est leurs poumons. Ils sont structurellement très complexes et fonctionnellement efficaces. Leurs poumons permettent aux oiseaux de voler. Le vol consomme énormément d’énergie et certains oiseaux volent sans escale sur de très longues distances ou à de très hautes altitudes où il y a peu d’oxygène.
Même après une étude approfondie, des questions sur la bio-ingénierie du système respiratoire aviaire ont persisté. Ils se rapportent à la façon dont les voies respiratoires et les vaisseaux sanguins sont formés, disposés et connectés, et à la façon dont l’air circule autour des poumons.
Pour explorer ces aspects du poumon aviaire, mes collègues et moi avons utilisé une variété de techniques. La reconstruction par ordinateur de sections en série en trois dimensions (3D) en fait partie.
En utilisant cette technique nous a montré que les minuscules structures (capillaires d’air et capillaires sanguins) entre lesquelles l’oxygène est échangé n’ont pas la forme qu’on a longtemps imaginée. Parce qu’ils sont si petits et si étroitement enchevêtrés les uns avec les autres, il n’était pas possible de voir clairement leurs formes et leurs connexions jusqu’à ce que nous utilisions la reconstruction 3D. Nous avons alors pu voir ce qui rend le poumon de l’oiseau si efficace pour absorber l’oxygène nécessaire à la libération d’énergie, clé de la survie.
L’approche
Pendant des centaines d’années, les scientifiques ne pouvaient étudier les structures biologiques qu’en deux dimensions – des sections de tissus étaient placées sous un microscope à transmission. À la fin des années 1970, le prix Nobel d’origine sud-africaine Sydney Brenner a été le premier à appliquer l’informatique pour reconstruire des séries de sections. Plus récemment, les méthodologies de reconstruction 3D ont révolutionné divers domaines de la biologie.
reconstruction 3D nous a montré que les voies respiratoires et les vaisseaux sanguins se suivent et alimentent des parties spécifiques du poumon de l’oiseau. Les différentes branches du système respiratoire ne sont pas interconnectées, pas plus que les branches du système sanguin. Nous avons pu obtenir une vue beaucoup plus claire des formes et des connexions des capillaires d’air et des capillaires sanguins dans les poumons. L’entrelacement compact des capillaires augmente la surface respiratoire tout en minimisant l’épaisseur de la barrière sang-gaz.
La conception des poumons de l’oiseau forme un système d’échange de gaz très efficace avec une grande réserve fonctionnelle. Les poumons sont ventilés en continu et dans une direction (de l’arrière vers l’avant) avec de l’air « frais » par des actions coordonnées des très grands sacs aériens. Au cours de chaque cycle respiratoire, l’air dans les poumons est remplacé par de l’air « propre ». Cela maintient une pression élevée qui entraîne l’oxygène dans le sang circulant à travers les poumons. Il donne aux oiseaux leur pouvoir de vol.
Notre reconstruction de coupes en série 3D a fourni de nouveaux détails et a souligné la valeur de la technique pour étudier des structures biologiques complexes.
reconstruction 3D
La reconstruction 3D consiste à préparer un modèle spatial d’une structure à partir d’images 2D. Parce que cela prend du temps, beaucoup de matériel et de compétences spécialisées, il n’est pas souvent utilisé dans les études biologiques.
Nous avons utilisé la méthode sur un poumon de poulet car c’est l’animal modèle pour l’étude de la biologie des oiseaux.
Nous avons coupé 2 689 sections en série d’un poumon de poulet à une épaisseur de 8 micromètres (chaque micromètre est un millionième de mètre). Nous les avons colorés et montés sur des lames de verre, photographié des sections et aligné les images pour la reconstruction à l’aide d’un logiciel open source.
Il existe d’autres méthodes de reconstruction 3D modernes qui sont plus rapides, moins chères et plus faciles à utiliser. Mais la reconstruction de coupes sériées histologiques 3D (constitution d’une image à partir de fines tranches de tissu) reste une technique très importante. Les reconstructions ont un meilleur contraste et un meilleur rapport signal sur bruit (il y a moins d’informations indésirables). En outre, des colorants et des marqueurs peuvent être utilisés pour améliorer l’identification des structures.
Capillaires pulmonaires d’oiseaux
Le processus nous a montré que les unités respiratoires terminales extrêmement petites du poumon d’oiseau – longtemps appelées « capillaires d’air » – ne le sont pas : ce sont des structures plutôt rondes, reliées entre elles par des passages très étroits.
De plus, les « capillaires sanguins » ne sont pas de « vrais » capillaires comme ceux que l’on trouve dans la plupart des autres tissus et organes qui sont beaucoup plus longs que larges. Ils comprennent des parties clairement séparées qui sont à peu près aussi longues que larges et qui s’interconnectent en 3D. L’air et les capillaires sanguins du poumon de l’oiseau s’entrelacent très étroitement dans un arrangement en « nid d’abeille ».
Connaître la forme et la taille de ces unités fournit des informations sur l’efficacité des échanges gazeux du poumon de l’oiseau, qui est un système à flux continu.
Plus à venir
À mesure que des moyens plus efficaces d’appliquer la technologie de reconstruction 3D sont développés, l’imagerie et l’animation 3D deviendront des moyens de recherche essentiels dans la boîte à outils d’un biologiste. Il sera possible de conceptualiser pleinement les formes des composants structuraux et ainsi permettre une meilleure compréhension de leur fonctionnement.
Des informations vitales sur la biologie des animaux, y compris les oiseaux, nous permettront de formuler des mesures plus efficaces qui assureront leur conservation face aux défis du réchauffement climatique et de la pollution de l’environnement.
Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.