L'hibernation des ours : plus qu'une simple sieste hivernale

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Chaque printemps, alors que les jours s'allongent dans le nord et que la neige fondante ruisselle dans les cours d'eau, les animaux somnolents, des grizzlis aux écureuils terrestres, commencent à sortir de leur hibernation. Il est tentant de dire qu'ils se "réveillent", mais l'hibernation est plus compliquée et mystérieuse qu'un simple long sommeil : tout animal capable de passer des mois sous terre sans manger ni boire et d'en ressortir prêt à affronter le monde a manifestement maîtrisé une étonnante astuce biologique.

La liste des animaux qui hibernent comprend toutes sortes de rongeurs, quelques amphibiens et même quelques primates (plusieurs espèces de lémuriens nains), mais les ours sont littéralement les plus gros hibernants de tous. Les grizzlis et les ours noirs adultes pèsent autant, voire plus, qu'un joueur de football américain. Ils ont l'énergie et la curiosité d'un enfant d'âge préscolaire, mais ils n'ont aucun mal à se recroqueviller pendant des mois. Selon Elena Gracheva, neurophysiologiste à l'université de Yale à New Haven, dans le Connecticut, la chorégraphie nécessaire à l'arrêt d'une créature de cette taille est difficile à expliquer. "L'hibernation est si complexe qu'elle nécessite des adaptations à plusieurs niveaux", explique-t-elle.

L'hibernation des ours permet de mieux comprendre le fonctionnement des grands mammifères, et notamment le nôtre, explique Mme Gracheva, qui est coauteur d'une étude sur la physiologie de l'hibernation publiée dans la revue Annual Review of Cell and Developmental Biology de 2020. Une meilleure compréhension de ce processus pourrait potentiellement modifier notre approche d'un large éventail de pathologies humaines, notamment les accidents vasculaires cérébraux, l'ostéoporose, la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer (voir plus bas).

Les ours, eux aussi, devront repenser leur concept d'hibernation à mesure que le climat se réchauffe et que les hivers raccourcissent. Leur réaction en dira long sur leur attachement aux siestes hivernales et sur les liens profonds qui existent entre le climat et le comportement animal.

Plusieurs groupes de mammifères ralentissent délibérément leur métabolisme, soit pendant la nuit (torpeur quotidienne), soit pendant l'hiver (hibernation). Les ours se distinguent des autres groupes par leur taille beaucoup plus grande.

Pas cool

Les ours ont une approche de l'hibernation très différente de celle des autres espèces de dormeurs. Les écureuils terrestres de l'Arctique peuvent temporairement abaisser leur température corporelle à -3°C sans geler. Les ours, en revanche, ne perdent pratiquement pas de chaleur dans leur tanière hivernale, mais ils sont tout de même considérés comme des hibernants car leur métabolisme ralentit à vue d'œil. C'est un processus que Brian Barnes, zoologiste à l'université d'Alaska Fairbanks, et ses collègues ont suivi de près il y a plus de dix ans en étudiant des ours noirs hibernant dans des tanières artificielles.

Les quartiers d'hiver étaient en fait des chambres qui permettaient de mesurer l'absorption d'oxygène et la production de dioxyde de carbone, des mesures importantes du métabolisme, tandis que des capteurs suivaient la température corporelle. C'était la première étude à montrer définitivement que les animaux pouvaient hiberner sans se refroidir.

Selon Barnes, les ours en hibernation ne se contentent pas de se reposer pendant l'hiver. Ils s'éteignent véritablement, réinitialisant complètement les paramètres de leur vie quotidienne. "Ils entrent, se retournent deux ou trois fois, s'allongent, et restent ainsi pendant six mois", dit-il, et ils ne se lèvent que pour changer de côté tous les quelques jours. "L'hibernation définit les limites extrêmes de ce qui est possible en termes de fonction mammalienne". Barnes note que les truies nourrissent souvent des jumeaux ou des triplés pendant l'hibernation sans manger ni boire, puisant dans leurs propres réserves de graisse et d'eau pour le bien de leurs petits.

Pour les humains, ce niveau de léthargie aurait un coût. Que nous soyons en convalescence sur un lit d'hôpital ou dans une fusée vers Mars, nos muscles se dessèchent et nos os s'amincissent après des mois d'inactivité. Les ours n'ont pas ce problème. Une partie du secret de la solidité de leurs os vient tout juste d'être révélée. En 2021, Barnes et ses collègues ont publié une étude montrant que les ours en hibernation sont capables de désactiver les gènes impliqués dans la dégradation des os.

Les chercheurs suggèrent qu'il pourrait un jour être possible de manipuler le même processus chez l'homme pour prévenir l'ostéoporose. Barnes ajoute qu'une telle approche pourrait être particulièrement utile pour les personnes confinées à un repos prolongé au lit, ce qui est actuellement le plus proche de l'hibernation pour les humains.

Le métabolisme lent des ours en hibernation est un exploit étonnant en soi. Un ours peut ralentir sa respiration et son rythme cardiaque d'environ 75 % pendant des mois, tout en maintenant une température corporelle relativement élevée. Si personne ne sait exactement comment ils freinent leur métabolisme, Mme Gracheva estime que cette stratégie est logique. Elle pense que les ours ne se refroidissent pas comme les écureuils terrestres, car il leur faudrait beaucoup trop d'énergie pour réchauffer leurs grands corps au printemps. Au lieu de cela, ils se recroquevillent, laissant leur graisse et leur fourrure les garder au chaud, avec seulement quelques frissons occasionnels pour aider le sang à circuler.

La maîtrise de l'animation quasi suspendue par des animaux de taille humaine (ou plus grands) a bien sûr attiré l'attention des auteurs de science-fiction et d'autres personnes qui rêvent de pouvoir un jour envoyer des astronautes autour du système solaire alors qu'ils "hibernent" pendant des mois ou des années en consommant peu d'oxygène, de nourriture et d'exercice. Dans l'immédiat, il pourrait être possible d'utiliser les leçons de l'hibernation pour protéger les personnes en soins intensifs.

Comme l'explique Barnes, les crises cardiaques et les accidents vasculaires cérébraux réduisent considérablement l'apport d'oxygène et de nutriments au cerveau. Ce manque d'apport serait beaucoup moins dommageable si les médecins pouvaient rapidement réduire la demande en mettant le patient en état d'hibernation, ou quelque chose du genre. M. Barnes note que les victimes d'un AVC ont le plus de chances de bénéficier d'un traitement dans l'heure qui suit l'accident. Les médecins appellent cette fenêtre d'opportunité pour rétablir le flux sanguin "l'heure d'or". Si les médecins pouvaient reproduire l'hibernation jusqu'à un point où les besoins du cerveau ne dépassent pas l'approvisionnement, "cette heure d'or pourrait être une semaine ou trois semaines d'or", dit Barnes.

Les spéculations pourraient bientôt prendre fin : en mars 2021, des chercheurs des États-Unis et de Chine, inspirés par les hibernateurs du monde animal, ont proposé une étude qui utiliserait une combinaison de la prométhazine, un médicament sédatif, et de la chlorpromazine, un antipsychotique, pour créer temporairement un "état d'hibernation" chez les patients victimes d'un accident vasculaire cérébral, dans le but ultime de préserver les fonctions cérébrales.

Réveil en sursaut

L'hibernation des ours se distingue à d'autres égards. Certains rongeurs et autres animaux hibernent selon des horaires stricts régis par la durée du jour. Les ours, en revanche, décident eux-mêmes du moment de l'arrêt et de la reprise de leur activité, explique Heather Johnson, biologiste spécialiste de la faune sauvage au sein de l'US Geological Survey à Anchorage, en Alaska. Ce moment est déterminé par un certain nombre d'indices, dont l'approvisionnement en nourriture et, surtout, la température.

Dans une étude publiée en 2017, Johnson et ses collègues ont suivi l'hibernation de 51 ours noirs femelles pendant une moyenne de trois ans chacune dans les environs de Durango, dans le Colorado. La durée totale de l'hibernation variait considérablement, de moins de quatre mois à plus de sept mois, selon l'âge et le statut parental. Les ours plus âgés et les mères avec leurs petits avaient tendance à hiberner plus longtemps que les jeunes ours seuls. Mais tous les ours étaient manifestement attentifs à la météo alors qu'ils se préparaient à retourner à la vie active.

Les chercheurs ont mesuré la température corporelle, le rythme cardiaque et l'activité de 14 ours bruns en liberté pendant une moyenne de trois ans. Les ours réduisaient considérablement leur activité et leur rythme cardiaque pendant l'hibernation, tandis que la température corporelle ne baissait que légèrement. Les barres verticales vertes indiquent la période pendant laquelle les ours entraient ou sortaient de leur tanière.

En moyenne, les ours ont quitté leur tanière 3,5 jours plus tôt pour chaque augmentation de 1 degré Celsius de la température minimale moyenne au printemps. "Lorsque la température atteint un certain niveau, ils savent qu'il est temps de sortir de l'hibernation", explique M. Johnson.

De même, les ours bruns de Scandinavie semblent attendre que la température atteigne un seuil avant de sortir de leur tanière d'hiver, explique Alina Evans, vétérinaire spécialiste de la faune sauvage à l'Université des sciences appliquées de Norvège intérieure, à Evanstad. Dans une étude publiée en 2016, Alina Evans et ses collègues ont suivi les habitudes d'hibernation de 14 ours qui avaient été équipés de colliers satellites et de moniteurs permettant de suivre leur rythme cardiaque et leur température corporelle.

Les ours ont choisi des moments et des lieux différents (racines d'arbres, grottes, fourmilières creusées) pour commencer à faire leur tanière, mais ils ont tous quitté leur tanière lorsque la température moyenne de jour approchait les 5°C. Evans pense que c'est la température qui les incite à sortir, mais il ajoute qu'il existe d'autres possibilités. Les ours peuvent également prêter attention à une humidité désagréable provenant de la fonte des neiges, par exemple.

Comme les hivers deviennent plus doux dans un climat qui se réchauffe, les ours commenceront sans aucun doute à sortir de leur tanière plus tôt, dit Johnson. Il est difficile de dire si de tels changements se sont déjà produits, mais, de manière anecdotique, de nombreux récits font état d'ours qui apparaissent dans les villes ou sur les porches des cabanes pendant une période de chaleur hivernale. Elle craint que des périodes d'hibernation plus courtes ne donnent aux ours plus de temps pour s'attirer des ennuis. Les ours qui sortent tôt de leur tanière ont plus de chances de renverser des poubelles, de se faire renverser par des voitures ou de se retrouver dans la ligne de mire d'un chasseur. "Les ours ont un taux de survie de près de 100 % lorsqu'ils hibernent", explique-t-elle. "Sinon, c'est un monde dangereux pour eux".

En général, les ours planifient leur hibernation de manière à se coucher lorsque la nourriture est rare et à être actifs en période d'abondance, explique Mme Evans. Elle craint que les changements de température ne bouleversent ce calendrier. En théorie, une vague de chaleur précoce pourrait faire sortir les ours de leur tanière plus tôt, pour les replonger dans le froid alors qu'ils ont déjà commencé à perdre du poids en hiver. "Ils peuvent manquer une occasion d'économiser de l'énergie dans un environnement difficile", dit-elle.

Dans certains cas, un changement soudain de climat pourrait temporairement transformer les ours en suralimentés, selon Mme Gracheva. En général, un ours perd jusqu'à 30 à 40 % de son poids corporel - principalement de la graisse - pendant l'hibernation. Si un ours se réveille tôt plusieurs années de suite, tous ces repas de printemps pourraient lui faire prendre des kilos superflus. "L'ours peut devenir obèse", dit-elle. "Il pourrait devenir sensible au diabète comme nous le sommes".

Mais à long terme, les ours finiront par être capables d'ajuster leurs horaires d'alimentation et d'hibernation pour s'adapter à un monde qui se réchauffe, selon Mme Evans. Après tout, note-t-elle, les ours noirs prospèrent dans les marécages de Floride et les forêts du Mexique, et les ours bruns ont pris pied dans les pays d'Europe du Sud, où les hivers rigoureux ont pratiquement disparu avec l'ère glaciaire. Certains ours vivant sous des climats plus chauds ont décidé de ne pas hiberner du tout. En Grèce et en Croatie, il arrive que les ours n'entrent pas en hibernation, à moins qu'ils ne soient en gestation, explique-t-elle. 

L'hibernation est peut-être moins urgente dans un monde qui se réchauffe, mais les scientifiques sont plus désireux que jamais de comprendre ce processus.

Ce que l'hibernation des animaux peut nous apprendre sur la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson

À certains égards, les ours, les écureuils terrestres et d'autres animaux qui hibernent présentent des similitudes frappantes avec les personnes souffrant de la maladie d'Alzheimer ou de Parkinson. Chez l'homme, ces maladies sont marquées par une accumulation de protéines "tau" qui forment des enchevêtrements dans le cerveau. Les cerveaux des ours et des écureuils en hibernation subissent une transformation similaire, peut-être parce que les protéines aident à protéger les neurones pendant le long repos. "Pendant l'hibernation, on observe une accumulation massive de tau dans le cerveau et le système nerveux central", explique Elena Gracheva, neurophysiologiste à l'université de Yale. 

La grande différence : alors que les protéines tau continuent de s'accumuler chez les patients atteints d'Alzheimer et de Parkinson au fur et à mesure que la maladie s'aggrave inévitablement, les hibernants éliminent rapidement les enchevêtrements dans un impressionnant exploit de nettoyage de printemps. Leur cerveau ne présente aucun signe de dommage, et leur mémoire et leur motricité sont totalement intactes. "Les hibernateurs se portent à merveille", déclare Gracheva, dont les travaux sont en partie financés par la Fondation Michael J. Fox pour la recherche sur la maladie de Parkinson.

Serait-il un jour possible d'offrir aux patients humains un réveil similaire ? Gracheva prévient que la science n'en est encore qu'à ses débuts, mais les chercheurs étudient attentivement l'hibernation afin d'acquérir de nouvelles connaissances sur les maladies cérébrales progressives. Une étude publiée en 2021 dans Scientific Reports a montré qu'un seul cycle d'hibernation et de réveil induit renforçait les connexions cérébrales et améliorait la mémoire de souris atteintes d'une maladie très similaire à la maladie d'Alzheimer. Les auteurs suggèrent qu'il pourrait être possible de développer des thérapies médicamenteuses qui pourraient fournir une stimulation cognitive similaire aux personnes, sans hibernation nécessaire.

Gracheva, qui a passé une grande partie de sa carrière à travailler avec des écureuils terrestres en hibernation, fait maintenant partie d'une équipe de chercheurs qui étudient les changements cérébraux à l'origine des troubles cognitifs chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson. Plus précisément, elle travaillera sur le séquençage des gènes afin de mieux comprendre la différence génétique entre les cellules du cerveau qui sont vulnérables à la maladie de Parkinson et celles qui ne le sont pas.

Elle utilisera certaines des approches qu'elle a utilisées dans ses études sur les hibernants - un autre clin d'œil aux similitudes remarquables entre les animaux qui se réveillent et se réactivent au printemps et les personnes qui recherchent un tout autre type de rétablissement. "L'étude des ours et des marmottes, dit-elle, peut nous apprendre quelque chose de très fondamental sur le fonctionnement du système nerveux humain."

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.