Pourquoi l'éléphant bat-il ses grandes oreilles ?
― Ses oreilles sont un « radiateur » qui évacue la chaleur
Les grandes oreilles de l'éléphant ne servent pas seulement à entendre. Ces oreilles fines sont parcourues de vaisseaux sanguins, et à chaque battement, elles laissent la chaleur du sang s'envoler dans le vent. C'est une astuce propre à un animal si gros que la chaleur s'accumule, et qui ne peut presque pas transpirer.
Devant l'enclos des éléphants d'un zoo. Un éléphant balance lentement ses grandes oreilles d'avant en arrière : flap, flap.
Il chasse les insectes, pensez-vous. C'est vrai, en partie. Mais regardez bien : plus l'après-midi est chaud, plus il bat des oreilles souvent.
Que fait donc l'éléphant avec ses oreilles ?
Deux raisons seulement
La chaleur est produite à l'intérieur du corps et s'échappe par sa surface. Quand le corps grossit, la surface n'augmente pas aussi vite que l'intérieur. Et l'éléphant ne peut presque pas transpirer.
L'oreille de l'éléphant est une plaque de peau fine, dont l'arrière laisse voir de gros vaisseaux sanguins. Le sang qui y circule cède sa chaleur au vent créé par les battements, puis revient un peu refroidi vers le corps.
Voyons cela dans l'ordre.
Pourquoi un gros corps garde-t-il la chaleur ?
Imaginez un dé. Si l'on double la longueur de l'arête, la surface est multipliée par 2×2, soit 4. Mais le volume, lui, est multiplié par 2×2×2, soit 8. Regardez la figure 1 : plus le cube grossit, plus sa surface devient insuffisante par rapport à son volume.
Il en va de même pour le corps d'un animal. La chaleur est produite par l'« intérieur » (muscles, organes) et évacuée par la « surface » : la peau. Une petite souris a une surface trop grande, et sa chaleur s'enfuit à toute vitesse. L'éléphant, lui, a du mal à se débarrasser de la chaleur qu'il produit.
Nous, quand il fait chaud, nous transpirons : la sueur emporte de la chaleur en s'évaporant. L'éléphant, lui, n'aurait presque aucune glande sudoripare. Avec son corps d'environ 5 tonnes, il ne peut pas compter sur ce puissant climatiseur qu'est la sueur.
Comment l'oreille évacue-t-elle la chaleur ?
C'est là que l'oreille devient utile. Chez l'éléphant d'Afrique, chaque oreille est une grande plaque, haute comme un adulte. Elle est fine, et de gros vaisseaux sanguins s'étalent derrière comme les branches d'un arbre.
Pendant que le sang chaud traverse cette large plaque, il cède sa chaleur à l'air ambiant. Quand l'éléphant bat des oreilles, l'air réchauffé est aussitôt remplacé, et de l'air neuf reprend de la chaleur. C'est le même principe que l'éventail qui rafraîchit. Le sang refroidi retourne dans le corps, circule, puis revient chercher de la chaleur.
Un point important : la chaleur ne quitte l'oreille que « lorsqu'elle est plus chaude que l'air ambiant ». Avec le curseur de la figure 2, faites varier la température de l'air.
À 25℃, la chaleur évacuée par les oreilles atteint environ 40 % de celle que produit le corps au repos (le calcul figure dans le volet repliable final). Mais à 33℃, elle n'atteint même pas 10 %. Quand l'air devient plus chaud que l'oreille, celle-ci ne perd plus de chaleur : elle en reçoit.
Aussi, les jours vraiment chauds, l'éléphant ne compte pas que sur ses oreilles. Il se douche et s'enduit le corps de boue. Sa peau est parcourue de fines craquelures en réseau, où l'eau et la boue restent longtemps. À la place de la sueur, il fait évaporer de l'eau apportée de l'extérieur.
L'éléphant d'Afrique, qui vit dans la savane, a des oreilles bien plus grandes que l'éléphant d'Asie, qui vit dans des régions plus boisées. Le fennec du désert et le lièvre de Californie, des terres sèches d'Amérique du Nord, ont aussi de très grandes oreilles pour leur taille. À l'inverse, le renard polaire de l'Arctique a de petites oreilles rondes, et le mammouth des terres froides de l'ère glaciaire aurait eu des oreilles bien plus petites que celles des éléphants actuels.
Si l'oreille évacuait toujours de la chaleur, le corps se refroidirait trop pendant les nuits froides. On pense que l'éléphant peut régler la quantité de sang qui y circule en resserrant ou en élargissant les vaisseaux. Sur une photo infrarouge, un même éléphant a parfois les oreilles brillantes, parfois sombres et froides.
En résumé
L'éléphant est si gros que la chaleur s'y accumule, et il ne peut presque pas transpirer. Il agite donc comme un éventail ses oreilles fines et larges, parcourues de vaisseaux, pour refroidir son sang. Mais l'oreille n'est utile que si l'air est plus frais qu'elle. Quand il fait plus chaud, l'éléphant passe aux bains d'eau et de boue.
L'oreille de l'éléphant sert à entendre, mais aussi,
de « radiateur » pour évacuer la chaleur de son gros corps.
Le lien entre taille et chaleur est abordé dans Pourquoi les petits animaux doivent-ils manger sans arrêt pour vivre ?, une autre façon de se refroidir sans transpirer dans Pourquoi le chien halète-t-il la langue pendante ?, et la circulation du sang qui retient la chaleur, à l'inverse, dans Pourquoi les pattes du canard ne gèlent-elles pas sur un étang glacé ?.
- Au zoo, comptez combien de fois par minute l'éléphant bat des oreilles, un après-midi chaud, puis un matin frais.
- Par un jour chaud, éventez le dos de votre main. Même sans transpirer, vous sentez la fraîcheur : l'air en mouvement emporte la chaleur.
- Mouillez ensuite légèrement le même dos de main et éventez-le. Il paraît bien plus frais que sec. C'est l'effet des bains d'eau et de boue de l'éléphant.
Au zoo, observez depuis l'extérieur de la barrière. La fréquence des battements d'oreilles dépend non seulement de la température, mais aussi du vent et de l'humeur de l'animal.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de biologie ou de physique du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matières spécialisées de l'université, absentes du lycée (physiologie animale, transferts thermiques)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, pas enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Animal homéotherme : animal qui garde une température corporelle à peu près constante quand la température extérieure change. Mammifères et oiseaux en font partie. Ils maintiennent leur température en équilibrant chaleur produite et chaleur perdue.
- Transfert de chaleur par convection : transport de chaleur par de l'air ou de l'eau chauffé qui se déplace. Battre des oreilles renforce ce mode de transport.
- Règle d'Allen : chez des animaux homéothermes d'un même groupe, les extrémités du corps (oreilles, queue…) sont plus petites dans les régions froides et plus grandes dans les régions chaudes.
CollègeLycéeVérifier par une formule : quelle chaleur l'oreille évacue-t-elle ?
Estimons la chaleur qui passe de l'oreille à l'air avec la formule la plus simple. La surface de l'oreille et l'exposition au vent varient selon l'individu et la situation : les valeurs ci-dessous ne sont que des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme.
| En symboles | Q ＝ h × A × （T oreille − T air） |
| En mots | chaleur évacuée ＝ facilité de transfert × surface de l'oreille × écart de température entre oreille et air |
| D'où vient-elle ? | Règle empirique : la chaleur qui passe d'une surface à l'air est proportionnelle à l'écart de température et à la surface (loi de refroidissement de Newton). Plus le vent est fort, plus la facilité de transfert est grande |
| Symbole | Sens et unité |
|---|---|
| Q | Chaleur évacuée par l'oreille chaque seconde (en watts) |
| h | Facilité de transfert de la chaleur (combien de watts par mètre carré et par ℃) |
| A | Surface de l'oreille (somme des deux faces des deux oreilles, en mètres carrés) |
| T oreille, T air | Température de la surface de l'oreille et de l'air ambiant (℃) |
| Facilité de transfert (valeur d'estimation pour une oreille battante dans le vent) | 20 watts par mètre carré et par ℃ |
| Surface de l'oreille (valeur supposée pour un grand éléphant d'Afrique) | 4 mètres carrés |
| Température de la surface de l'oreille (vaisseaux dilatés) | 35 ℃ |
| Température de l'air | 25 ℃ |
| Chaleur produite au repos par un éléphant de 5 tonnes (estimation) | environ 2000 watts |
| Écart de température oreille-air | 35 − 25 ＝ 10 |
| Facilité × surface | 20 × 4 ＝ 80 |
| Chaleur évacuée par l'oreille (watts) | 80 × 10 ＝ 800 |
| Part de la chaleur produite par le corps | 800 ÷ 2000 ＝ 0.4 |
| Écart de température à 33℃ | 35 − 33 ＝ 2 |
| Chaleur évacuée alors (watts) | 80 × 2 ＝ 160 |
| Part de la chaleur produite par le corps | 160 ÷ 2000 ＝ 0.08 |
À 25℃, les oreilles seules peuvent évacuer environ 40 % de la chaleur du corps. C'est proche de la chaleur d'un radiateur électrique, rejetée en continu par les oreilles. Mais à 33℃, ces mêmes oreilles n'atteignent pas 10 %. Si l'éléphant bat plus souvent des oreilles quand il fait plus chaud, c'est sans doute pour augmenter un peu la facilité de transfert et compenser l'écart de température qui se réduit.
LycéeLycée+Taille du corps et équilibre thermique
LycéeLa température d'un animal homéotherme se maintient quand la chaleur produite dans le corps équilibre la chaleur perdue vers l'extérieur. En milieu chaud, il combine la « perte par évaporation » (eau évaporée par la sueur ou la respiration) et la perte de chaleur de la peau vers l'air. Quand la température de l'air s'approche de celle de la peau, la seconde ne marche plus, et seule l'évaporation reste utile.
Lycée+Si la longueur du corps est multipliée par un facteur, la surface l'est par son carré et le volume par son cube. On parle parfois de loi du carré-cube. La surface par unité de volume (surface spécifique) diminue donc quand le corps grossit. Chez les vrais animaux, la production de chaleur par kilo diminue aussi chez les gros, mais elle ne suit pas la baisse de la surface.
Univ.Coefficient de transfert thermique et circulation du sang dans l'oreille
Le facteur de transfert de la formule ci-dessus s'appelle, en transferts thermiques, le coefficient de transfert thermique ; on l'estime à partir de la vitesse du vent et de la taille de la plaque, avec les nombres de Nusselt et de Reynolds. Quand l'oreille bat, l'air autour d'elle est en convection forcée, et le coefficient augmente. En physiologie animale, une partie du corps dont on peut faire varier le débit sanguin pour régler la perte de chaleur, comme l'oreille de l'éléphant, s'appelle une « fenêtre thermique » ; on l'étudie en mesurant la température de la peau par infrarouge. Le lien entre taille et métabolisme est connu sous le nom de loi de Kleiber.
📖 Démonstration de la formule et suite : Loi de refroidissement de Newton (Wikipédia) ／ Coefficient de transfert thermique (Wikipédia)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Quelle part de la perte de chaleur totale revient aux oreilles ? Selon la surface de l'oreille, le débit sanguin et le vent, les estimations varient beaucoup. On ne sait pas encore précisément sur quelle part de sa journée un éléphant sauvage compte sur ses oreilles.
- Comment le débit sanguin de l'oreille est-il réglé finement ? On a compris que les vaisseaux se dilatent et se contractent, mais le signal et le mécanisme de ce basculement font encore l'objet de recherches.
- Les éléphants supporteront-ils un climat plus chaud ? Si les jours où l'air dépasse la température de l'oreille se multiplient, la présence de points d'eau deviendra encore plus importante ; les effets sur le comportement et l'habitat sont à l'étude.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Le calcul ci-dessus n'est qu'une estimation à partir de valeurs supposées.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « propagation de la chaleur », « groupes d'animaux » | Transfert par convection, animaux homéothermes |
| Lycée | Biologie : « homéostasie » ; physique : « chaleur » | Température maintenue par l'équilibre thermique |
| Lycée+ | Biologie approfondie (variations géographiques du vivant) | Règle d'Allen, loi du carré-cube |
| Univ. | Physiologie animale, transferts thermiques | Coefficient de transfert, convection forcée, fenêtre thermique |
| Recherche | Recherche sur la thermorégulation animale | Part de la perte par l'oreille, réglage du débit sanguin |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi éventail et ventilateur rafraîchissent, pourquoi une peau mouillée éventée se refroidit |
- Phillips, P. K. & Heath, J. E. (1992) Heat exchange by the pinna of the African elephant (Loxodonta africana). Comparative Biochemistry and Physiology Part A
- Weissenböck, N. M. et al. (2010) Thermal windows on the body surface of African elephants (Loxodonta africana) studied by infrared thermography. Journal of Thermal Biology
- Martins, A. F. et al. (2018) Locally-curved geometry generates bending cracks in the African elephant skin. Nature Communications
- Règle d'Allen (Wikipédia en japonais)
- Schmidt-Nielsen, K. (1984) Scaling: Why Is Animal Size So Important? Cambridge University Press
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre les mécanismes. Quand vous observez des animaux au zoo ou dans la nature, suivez les règles du lieu et les consignes du personnel.