Ecouter une baleine à bosse ))) par Olivier Adam

Article parut dans la revue Arts-sciences, Plastir, dirigé par William Debono, Neurobiologiste en septembre 2017

Les baleines à bosse sont étudiées par les scientifiques, pour plusieurs raisons, notamment pour leurs routes migratoires exceptionnelles entre les zones d’alimentation et de reproduction qui peuvent faire plus de 6000 km aller, et pour les chants complexes que les males entonnent lors des saisons de reproduction.

Ces émissions sonores sont décrites pour la première fois en 1971, par un article devenu une référence internationale, écrit par 2 scientifiques Payne et McVay dans la revue scientifique américaine Science(Payne and McVay, 1971). Ils notent que ces chants sont organisés en sons isolés ; ils définissent alors le concept d’unités sonores, concept qui est toujours utilisé de nos jours. Une unité est un élément sonore limité dans le temps, bordée par 2 silences. A partir de là, il est possible de s’intéresser pour les bio-acousticiens à différents paramètres, comme la durée, la forme, la fréquence fondamentale et son évolution temporelle, et la présence ou non d’harmoniques. Il s’agit en fait d’une démarche andocentrique classique lorsqu’il s’agit d’étudier des sons issus des activités naturelles (géophonie), animales (biophonie) ou humaines (anthropophonie). La caractérisation de ces unités sonores montre que les baleines à bosse sont capables de produire des sons complexes, facilement identifiables, et donc qu’il est possible d’envisager un classement de ces unités sonores. Les auteurs remarquent alors que ces unités ne sont pas émises aléatoirement, mais dans un ordre spécifique formant des séquences. Mais cela ne s’arrête pas là, car ces séquences sont elles-mêmes organisées entre elles. Payne et McVay les nomment alors des sous-phrases, et leur succession, des phrases. Ces phrases forment le leitmotiv du chant des males. Ces leitmotivs sont mis en évidence par les spectrogrammes (représentation temps-fréquence) des unités.

En 2016, David Rothenberg, musicien et Professeur de Philosophie à l’Institut Technologique du New Jersey (USA) et Mike Deal, acoustic designer, en donneront une version plus moderne, à partir de pictogrammes, nettement plus facile à lire (Rothenberg and Deal, 2016). On s’aperçoit que les chants sont plus ou moins complexes d’un océan à l’autre et d’une saison à l’autre.

La classification des unités sonores s’avèrera, finalement par la suite, un challenge délicat pour au moins 4 raisons : la première est que, même si les chants sont partagés, il y a des variations inter-individuelles notables. La 2e difficulté est basée sur les variations temporelle et spatiale des chants : – au cours d’une même saison de reproduction et d’une saison à l’autre et – d’un océan à l’autre. Le 3e problème réside dans le fait que les critères de classification n’ont pas été clairement établis, laissant les scientifiques à les définir par eux-mêmes en fonction de leurs enregistrements et de leur propre appréciation, rendant la définition des classes, leur nombre et aussi finalement les classifications elles-mêmes subjectives.

Enfin, la qualité des enregistrements dépend également des conditions météorologiques, de la bathymétrie, des courants et du matériel utilisé, ce qui contribuent à modifier les caractéristiques intrinsèques des unités sonores et impacte directement sur leur classification.

En étudiant ces diversités acoustiques, nous avons proposé, comme motivation pour les chanteurs, le modèle 4L (Adam et al., 2013) : – low : le chanteur aura tendance à émettre un son avec une fréquence fondamentale la plus basse possible témoignant de sa taille, et parce que les basses fréquences se propagent sur une distance plus grande, – loud : en émettant des unités sonores puissantes, le chanteur va s’imposer en masquant les unités des autres chanteurs aux alentours. D’autre part, son chant va s’entendre plus loin et donc susceptible d’attirer l’attention des femelles sur une plus grande zone géographique. – long : avec des unités sonores de plus grande durée, le chanteur montre ses capacités respiratoires et donc, de façon direct, sa bonne santé. Il donne aussi plus de temps aux autres individus (femelles et males) de le localiser. – loquacious : les chanteurs ont la réelle volonté d’occuper la place acoustiquement. Leurs chants sont longs et peuvent durer plus d’une journée, sans pratiquement s’arrêter, avec des respirations à la surface particulièrement rapides et furtives.

Mais comment font ces baleines pour produire physiquement ces chants mélodieux ? Cette question est fondamentale, mais elle nécessite de s’intéresser à l’anatomie de ces cétacés, avec l’objectif d’identifier le ou les vibrateurs et comment ils sont mis en œuvre. Étonnamment aucuns travaux scientifiques n’avaient été réalisés pour décrire leur générateur acoustique. De plus, l’idée commune, partagée par les scientifiques et présentée au grand public, était que les cétacés n’avaient pas de cordes vocales.

Il faudra attendre la publication d’un article sur l’anatomie comparée des systèmes respiratoires des mammifères marins, écrit par Joy Reidenberg et Jeffrey Laitman, tout deux spécialistes ORL au Mount Sinaï Hospital (New York, USA) en 2007. Ils suggèrent l’existence potentielle d’un vibrateur au niveau de la trachée. Pour en savoir davantage, j’ai initié une collaboration scientifique avec eux afin de mieux décrire la fonctionnalité acoustique de ce système respiratoire exceptionnel, et notamment par l’identification des différents éléments qui le composent (fig. 3) :
– Deux poumons qui peuvent accueillir quelques 1000 litres d’air
– Une trachée, de 1m20 de long
– Un sac laryngé, connecté à la trachée et positionné sous celle-ci.

Deux cartilages parallèles d’une 30e de cm, appelés corniculate, à la jonction entre la trachée et le sac laryngé Deux conduits nasaux parallèles, de 1m50 à 1m70 de long, terminés par des évents à la surface de la tête.

Tout est surdimensionné chez ces grandes baleines. Pour mettre le tout en vibration, la baleine fait circuler l’air des poumons vers le sac laryngé. Au niveau de la trachée, le flux d’air passe en faisant vibrer les membranes qui recouvrent les corniculates. La baleine peut alors souffler plus ou moins longtemps pour adapter la durée des unités sonores (de moins d’une seconde à plus de 5 secondes), plus ou moins fort pour jouer sur la modulation d’amplitude (entre 120dB jusqu’à 180dB à 1m re 1µPa), en ouvrant plus ou moins l’espace entre les 2 corniculates pour moduler la fréquence fondamentale (entre 60Hz jusqu’à 500Hz), et en ouvrant plus ou moins l’épiglottis pour mettre en vibration les conduits nasaux et créer des harmoniques (jusqu’à 10kHz). De plus, parmi ces vocalises harmonieuses, nous pouvons distinguer des sons pulsés, propres à tous les mysticètes. A ce jour, nous hésitons dans l’origine de ces sons particuliers. Ils peuvent soit être émis à partir de l’extrémité des cartilages corniculates qui présentent une surface de membrane nettement plus souple leur permettant de se frapper l’une contre l’autre. Ces sons pourraient également être générés en réduisant significativement la vitesse de circulation de l’air des poumons vers le sac laryngé, laissant ainsi les corniculates ouverts revenir à leur position fermée de repos pendant un temps court mais suffisant, créant ainsi ces pulses (cette technique de production vocale est appelée « vocal fry » chez les hommes). Nous avons alors fait le lien entre l’anatomie fonctionnelle et les caractéristiques acoustiques des unités sonores, notamment en définissant 3 modes d’utilisation. La baleine passe d’un mode à l’autre de façon intentionnelle pour façonner son chant (Cazau et al., 2013).

Configuration des corniculates dans 3 cas (d’après Damien et al., 2017)
Repos : le système est fermé, les muscles sont relachés
Respiration : le système est totalement ouvert, arytenoïdes et trachée sont ouverts au maximum Recirculation : la baleine envoie son air des poumons vers le sac laryngé pour augmenter la durée de son apnée. Elle peut alors générer des unités sonores en ouvrant plus ou moins ses aryténoïdes.

Récemment, nous avons noté, dans nos enregistrements, que certains chanteurs produisaient des unités sonores présentant quelques particularités inattendues, comme des sauts de fréquence (la fréquence fondamentale n’est pas maintenue) ou la présence d’un chuintement au sein même de l’unité sonore (bruit qui évoque le décrochage des aryténoïdes dans les vibrations). Plusieurs hypothèses peuvent être avancées pour expliquer la présence de ces non-linéarités. Elles peuvent simplement être dues à un problème anatomique ; par exemple, une grosseur ou une tumeur sur les corniculates ou dans la trachée qui viendrait altérer la mise en vibration du système. Il pourrait également s’agir d’une phase d’apprentissage ou d’un manque d’entrainement ; par exemple chez les juvéniles qui commenceraient à chanter. Ceci étant dit, ces non-linéarités pourraient aussi être produites intentionnellement, à la façon d’ornements musicaux, pour permettre au chanteur de se distinguer des autres présents dans la même zone, et donc de mieux attirer l’attention sur lui (Cazau et al., 2016). Cela renforce les hypothèses sur les rôles sociaux de ces chants émis en période de reproduction, entre mâles et femelles et entre mâles et mâles.

Les chants des baleines à bosse ont des spécificités spatiales et temporelles. Il est possible de parler de dialectes régionaux, tant ils sont différents d’un océan à l’autre. Ceci étant dit, dans une même zone géographique, les males s’autoinfluencent et partagent les unités sonores et le leitmotiv du chant. Au niveau temporel, on note alors des variations au cours de la saison, avec l’apparition et la disparition de certaines unités sonores, et d’une saison à l’autre. Et cette évolution pluriannuelle se fait progressivement et non de façon désordonnée. Cela signifie que les baleines qui reviennent sur une même zone géographique l’année suivante commencent leur chant avec un leitmotiv quasiment identique à celui de l’année précédente. En s’intéressant aux variations sur plusieurs années, Garland et al. (2009) a montré qu’il y a une réelle transmission culturelle entre adultes chanteurs au niveau d’un bassin océanique, avec l’idée d’un chant qui pourrait être constant sur plusieurs années successives, à l’image des chants ancestraux. Et parce que les chants des males sont constants tout au long de la période de reproduction, l’apprentissage se fait dès la naissance (et probablement avant pendant la gestation) : les baleineaux, males et femelles, naissent en entendant ces vocalises, et vont être exposés à ces sons pendant les premières semaines voire les premiers mois de leur vie. Les baleineaux restent dépendants de leur mère pendant 1 année. Ils vont donc faire, avec elle, le long trajet vers une zone d’alimentation et le retour vers une zone de reproduction. Ils retrouveront alors ces chants pour une année, et ainsi de suite. A ce jour, il semble que cette apprentissage soit passif, dans la mesure où la mère ne chante pas (elle émet des sons mais ils n’ont pas les caractéristiques des chants) et qu’il n’a jamais été observé des sessions de cours de chant entre un adulte et un ou plusieurs juvéniles ! Pour conclure en ce qui concerne l’étude de ces chants, plusieurs nouvelles questions peuvent être posées. Ainsi, est-ce que ces chants ne devaient pas être appréhendés dans leur continuité plutôt que par une décomposition note par note ? L’idée serait de s’intéresser davantage à l’organisation complète des leitmotivs, notamment en tenant compte des intonations et des ornements. Et si ces unités sonores étaient produites également en fonction de l’acoustique du lieu, comme le suggère Mercado (2017) avec son idée de « drone unit » ? Ces « drone unit » qui sont, en fait, des unités sonores plus propices à la réverbération, et qui seraient le support des autres unités sonores successives. Autrement dit, la durée et le contenu de la sous-phrase émise par la baleine pourraient être guidés par la propagation acoustique, et donc renseigner sur le lieu.

Jusqu’à ce jour, identifier un chanteur uniquement à partir de ces vocalisations reste un challenge scientifique. Seules les observations visuelles permettent d’affirmer l’identité d’une baleine. Pourquoi cela n’est-il pas possible à partir des sons ? Est-ce que ces nouvelles connaissances issues de l’anatomie et de la modélisation acoustique vont nous permettre finalement d’identifier ces chanteurs ? En protégeant ces baleines et leur environnement, nous contribuons à la conservation des océans, et nous nous assurons de pouvoir continuer à être émerveillé par ces chants.

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BIBLIOGRAPHIE :
Adam, O., Cazau, D., Gandilhon, N., Fabre, B., Laitman, J. T., and Reidenberg, J.
S. (2013). New acoustic model for humpback whale sound production, Applied Acoustics, 74(10): 1182–1190
Cazau, D., Adam, O., Laitman, J. T., and Reidenberg, J. S. (2013). Understanding the intentional acoustic behavior of humpback whales: a production-based approach, Journal of the Acoustical Society of America (JASA), 143(3): 2268-2273
Cazau, D., Adam, O., Aubin, T., Laitman, J. T., and Reidenberg, J. S. (2016). A study of vocal nonlinearities in humpback whale songs: from production mechanisms to acoustic analysis, Scientific Reports, 6:31660, DOI: 10.1038/srep31660
Mercado, E. III (2016). Acoustic signaling by singing humpback whales (Megaptera novaeangliae): what role does reverberation play?, Plos One, 11(12): e0167277. doi:10/1371/journal.pone.0167277
Payne, R.,and McVay, S. (1971).Songs of humpback whales, Science, 173: 585–597.
Reidenberg, J. S., and Laitman, J. T. (2007). Discovery of a low frequency sound source in Mysticeti (baleen whales): Anatomical Establishment of a Vocal Fold Homolog,” Anat. Rec., 290: 745-759.
Rothenberg, D., and Deal, M. (2016). New Songs of the Humpback Whale,

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