Les baleines utilisent divers signaux acoustiques pour la communication et la perception sensorielle. Les mécanismes spécifiques de production sonore diffèrent selon les différentes familles de cétacés. Les mammifères marins, notamment les baleines, les dauphins et les marsouins, dépendent beaucoup plus du son que les mammifères terrestres, principalement en raison de l'efficacité réduite des autres sens dans les environnements aquatiques. La perception visuelle est moins efficace pour les mammifères marins car les particules océaniques diffusent la lumière. Les capacités olfactives sont également limitées, car la diffusion moléculaire se produit plus lentement dans l’eau que dans l’air, réduisant ainsi l’efficacité de l’odorat. À l’inverse, la vitesse du son dans l’eau est environ trois fois supérieure à celle de l’atmosphère au niveau de la mer. Compte tenu de la profonde dépendance des mammifères marins à l'audition pour communiquer et se nourrir, les scientifiques de l'environnement et les cétologues expriment leur appréhension quant aux dommages potentiels liés à l'augmentation des niveaux de bruit ambiant dans les océans du monde, attribués aux expéditions, aux sonars et aux études sismiques marines.
Les baleines utilisent une variété de sons pour communiquer et ressentir. Les mécanismes utilisés pour produire le son varient d'une famille de cétacés à l'autre. Les mammifères marins, notamment les baleines, les dauphins et les marsouins, dépendent beaucoup plus du son que les mammifères terrestres en raison de l'efficacité limitée des autres sens dans l'eau. La vue est moins efficace pour les mammifères marins en raison de la manière dont les particules présentes dans l’océan diffusent la lumière. L’odorat est également limité, car les molécules se diffusent plus lentement dans l’eau que dans l’air, ce qui rend l’odorat moins efficace. Cependant, la vitesse du son est environ trois fois plus élevée dans l’eau que dans l’atmosphère au niveau de la mer. Les mammifères marins étant très dépendants de l'ouïe pour communiquer et se nourrir, les environnementalistes et les cétologues craignent d'être lésés par l'augmentation du bruit ambiant dans les océans du monde provoqué par les navires, les sonars et les relevés sismiques marins.
Le terme « chant » caractérise les séquences acoustiques cohérentes et prévisibles produites par certaines espèces de baleines, en particulier la baleine à bosse. Ces vocalisations sont souvent assimilées à la musique humaine, les baleines à bosse mâles étant notamment décrites comme des « compositeurs invétérés » de mélodies qui présentent « une similitude frappante avec les traditions musicales humaines ». Néanmoins, des recherches ultérieures ont introduit des complexités dans cette perspective. Bien qu'il ait été proposé que les chants des baleines à bosse transmettent la condition physique des mâles aux baleines femelles, cette hypothèse a rencontré des défis basés sur de multiples arguments.
Catégories et fonctions de vocalisation
Bien que les vocalisations complexes des baleines à bosse (et de certaines baleines bleues) soient principalement associées à la sélection sexuelle, d'autres espèces de baleines génèrent des sons plus simples qui remplissent des fonctions alternatives tout au long de l'année. Les observateurs ont observé des mères baleines guidant doucement leurs petits vers la surface de manière ludique, émettant simultanément un son semblable au roucoulement humain. Cette vocalisation semblable à un roucoulement semble apaiser leurs petits et représente l'un des nombreux sons quotidiens distincts produits par les baleines. Contrairement à certains poissons, comme les requins, les odontocètes (baleines à dents) manquent de sens olfactif, ce qui les oblige à dépendre largement de l'écholocation pour l'acquisition de proies et la navigation dans des conditions océaniques sombres. Par conséquent, ces baleines doivent produire des sons en continu tout au long de l'année pour contourner efficacement les obstacles potentiels, y compris les navires submergés ou d'autres organismes.
De plus, il a été démontré que les baleines sont des organismes très sociaux. Les vocalisations produites de manière constante tout au long de l'année (principalement des sifflements, des clics et des appels pulsés) facilitent la communication entre les membres de leur groupe. Chaque son distinct émis par une baleine peut véhiculer une signification unique. Plus précisément, les clics produits par les baleines sont utilisés à des fins de navigation.
La question de savoir si les baleines vocalisent uniquement pour le plaisir esthétique, la gratification individuelle ou « pour l'amour de l'art » est considérée par certains comme une « question invérifiable ».
Vocalisations des baleines à bosse
L'intérêt des chercheurs pour les vocalisations des baleines a été stimulé par les chercheurs Katy et Roger Payne, aux côtés de Scott McVay. Leur attention a été attirée sur ces bruits par Frank Watlington, un Bermudien employé par le gouvernement américain à la station SOFAR, où il surveillait les sous-marins russes à l'aide d'hydrophones sous-marins au large des côtes de l'île. En 1970, les Paynes sortent l'album à succès Songs of the Humpback Whale. Par la suite, ces vocalisations de baleines ont été rapidement intégrées dans des compositions musicales humaines par divers artistes, dont la chanteuse Judy Collins, George Crumb, Paul Winter et David Rothenberg.
La baleine à bosse génère une séquence de vocalisations répétitives sur diverses fréquences, collectivement appelées chant de baleine. Le biologiste marin Philip Clapham décrit ces vocalisations comme « probablement les plus complexes du règne animal ».
Les baleines à bosse mâles se livrent fréquemment à ces vocalisations pendant la saison des amours, ce qui conduit à l'hypothèse initiale selon laquelle leur objectif était de faciliter la sélection du partenaire. Néanmoins, les recherches ultérieures n'ont fourni aucune preuve établissant un lien direct entre ces vocalisations et le succès reproducteur.
Les chansons présentent une organisation hiérarchique. Les unités fondamentales de la chanson, appelées officieusement « notes », sont des émissions sonores discrètes et continues persistant pendant plusieurs secondes. Ces sons présentent une gamme de fréquences allant de 20 Hz à plus de 24 kHz, alors que la gamme auditive humaine standard s'étend de 20 Hz à 20 kHz. Ces unités peuvent être modulées en fréquence, ce qui signifie que leur hauteur peut monter, descendre ou rester constante, ou elles peuvent être modulées en amplitude, indiquant des variations de volume. Néanmoins, l'analyse du spectrogramme de la chanson avec des paramètres de bande passante ajustés révèle la caractéristique pulsée inhérente aux sons modulés en fréquence.
Une sous-phrase comprend quatre à six unités et dure généralement environ dix secondes. Deux sous-phrases se combinent pour former une phrase. Les baleines individuelles répètent généralement une seule phrase pendant des durées de deux à quatre minutes, établissant ainsi ce qu'on appelle un thème. Plusieurs thèmes constituent collectivement une chanson. Un chant de baleine complet peut durer jusqu'à 30 minutes et est fréquemment répété sur des périodes s'étendant sur des heures, voire des jours. Cette structure organisationnelle imbriquée de type « poupée russe » implique une complexité syntaxique plus proche du langage humain que d'autres formes de communication animale, telles que les chants d'oiseaux, qui ne présentent généralement que des arrangements linéaires.
Dans une région géographique spécifique, toutes les baleines produisent des chants presque identiques à un moment donné, mais ces chants subissent une évolution continue et progressive au fil du temps. Par exemple, une unité initialement caractérisée par une montée en puissance (une augmentation de la fréquence) peut progressivement s'aplatir pour devenir une note constante au cours d'un mois. De même, une autre unité pourrait présenter une augmentation constante de son amplitude. La vitesse d'évolution du chant d'une baleine est également variable ; certaines années, les chansons peuvent se transformer rapidement, tandis que d'autres, des changements minimes sont observés.
Les baleines habitant des territoires géographiques partagés, couvrant potentiellement des bassins océaniques entiers, produisent généralement des chants comparables, ne présentant que des variations mineures. À l'inverse, les baleines de régions distinctes et ne se chevauchant pas vocalisent des chants totalement différents.
Au cours du processus d'évolution du chant, les modèles précédemment établis ne semblent pas être réadoptés. Une analyse complète des chants des baleines s'étalant sur 19 ans a révélé que, même si des schémas généraux étaient perceptibles, des combinaisons identiques d'éléments ne se répétaient jamais.
Les baleines à bosse produisent également des vocalisations discrètes indépendantes de leurs chants structurés, en particulier lors des parades nuptiales. De plus, les baleines à bosse émettent une troisième catégorie de sons, appelée cri d’alimentation. Cette vocalisation est prolongée, dure entre 5 et 10 secondes, et maintient une fréquence quasi constante. Les baleines à bosse se nourrissent généralement en coopération, formant des groupes pour nager sous les bancs de poissons avant de se précipiter collectivement verticalement à travers les poissons et de percer la surface de l'eau. Ces appels alimentaires précèdent les fentes coordonnées. La fonction précise de cet appel reste indéterminée.
Certains chercheurs ont émis l'hypothèse que les chants des baleines à bosse pourraient remplir une fonction écholocative ; cependant, cette hypothèse a fait l'objet d'un débat scientifique.
Vocalisations supplémentaires des baleines
Au-delà de leurs chants, on observe que les baleines à bosse produisent diverses autres vocalisations sociales pour la communication, notamment des « grognements », des « gémissements », des « bruits », des « reniflements » et des « aboiements ».
Des recherches menées en 2009 ont révélé un approfondissement progressif de la fréquence tonale des chants des baleines bleues depuis les années 1960. Malgré une augmentation de plus de 12 décibels du bruit ambiant de l'océan due à la pollution depuis le milieu du 20e siècle, le chercheur Mark McDonald a noté qu'un changement de tonalité vers le haut serait attendu si les baleines faisaient des efforts pour être audibles.
Les épaulards sont connus pour émettre à la fois des cris stéréotypés à haute fréquence à longue portée, capables de parcourir des distances de 10 à 16 km (6,2 à 9,9 mi), et des cris à courte portée, qui se propagent. 5 à 9 km (3,1 à 5,6 mi). Les vocalisations à courte portée sont généralement documentées lors des interactions sociales et des phases de repos, tandis que les cris à longue portée sont plus fréquemment associés aux activités de recherche de nourriture et d'alimentation.
La majorité des autres cétacés, y compris les baleines et les dauphins, génèrent des vocalisations présentant divers niveaux de complexité. Notamment, les bélugas, souvent appelés « canaris de mer », émettent un vaste répertoire de sifflements, de clics et de pulsations. Un béluga mâle captif nommé NOC (prononcé « no-see ») a été observé imitant spontanément les schémas vocaux du discours humain mâle adulte, dont la tonalité est considérablement plus grave que les vocalisations typiques du béluga. Pour atteindre ces fréquences, il a intentionnellement surgonflé son sac vestibulaire, une caractéristique anatomique que les bélugas utilisent normalement pour empêcher l'eau de pénétrer dans l'évent, régulant ainsi la pression dans son tractus nasal.
Au départ, on avait émis l'hypothèse que la plupart des baleines à fanons vocalisaient dans une gamme de fréquences d'environ 15 à 20 hertz. Cependant, une équipe de recherche dirigée par Mary Ann Daher de la Woods Hole Oceanographic Institution a documenté dans New Scientist en décembre 2004 le suivi à long terme d'une baleine dans le Pacifique Nord sur une période de 12 ans, qui a produit des vocalisations à une fréquence anormale de 52 Hz. La communauté scientifique n'a pas encore fourni d'explication définitive à ce phénomène unique. Alors que 52 Hz constitue une fréquence très basse pour l'audition humaine, perceptible comme un léger gémissement, les vocalisations typiques des autres baleines sont généralement inférieures au seuil d'audibilité humaine. Cette baleine en particulier n’était pas présumée représenter une espèce nouvelle ; ses vocalisations suggéraient plutôt qu'une espèce existante pourrait posséder une gamme vocale beaucoup plus large que ce que l'on pensait auparavant. Néanmoins, un débat scientifique persiste concernant le caractère distinctif de la vocalisation de cette baleine et la possibilité de sa classification comme hybride, semblable aux hybrides documentés de rorquals bleus et communs.
Mécanismes de production sonore
Les humains génèrent des sons sonores grâce au passage contrôlé de l'air à travers le larynx. Dans le larynx, l'adduction des cordes vocales provoque le flux d'air qui induit leur fermeture et leur ouverture rapides et alternées. Cette action segmente le flux d'air continu en impulsions d'air discrètes, qui sont perçues comme une vibration. La modification ultérieure de cette vibration par les organes articulatoires des cavités buccale et nasale aboutit à des sons complexes caractéristiques de la parole humaine.
La production sonore des cétacés s'écarte considérablement du mécanisme physiologique humain. Les processus spécifiques impliqués varient entre les deux sous-ordres de cétacés : les Odontoceti, englobant les baleines à dents et les dauphins, et les Mysticeti, qui comprennent les baleines à fanons et les plus grands mammifères marins, comme la baleine bleue.
Baleines Odontocètes
Les odontocètes génèrent des séquences rapides de clics à haute fréquence, principalement utilisés pour l'écholocation. Les structures anatomiques spécialisées de ces baleines produisent une gamme de clics et de bourdonnements, couvrant des fréquences allant de 0,2 à 150 kHz, leur permettant d'acquérir des données acoustiques sur leur environnement. Des fréquences plus basses sont utilisées pour l'écholocation à longue portée, car les longueurs d'onde plus longues se propagent plus efficacement sous l'eau que les plus courtes. À l’inverse, les fréquences plus élevées s’avèrent plus efficaces sur des distances plus courtes, fournissant des détails plus précis sur une cible. Les échos dérivés de ces clics transmettent des informations complètes, notamment la distance, la taille, la morphologie, la vitesse et le mouvement directionnel de la cible. De plus, l'écholocation facilite la capacité de l'odontocète à différencier les objets en fonction de leur composition matérielle et de leur densité, même lorsqu'ils sont visuellement impossibles à distinguer. Remarquablement, les odontocètes individuels semblent capables d'isoler leurs propres échos lors des activités d'alimentation communes, évitant ainsi les interférences des écholocations d'autres membres du groupe.
Contrairement aux clics, les sifflets remplissent une fonction de communication entre les odontocètes. Les veaux, généralement âgés de quatre à six mois, développent des vocalisations distinctives, appelées « sifflets caractéristiques », qu'ils utilisent de manière constante tout au long de leur vie. Ces sifflets de signature sont uniques à chaque individu et devraient faciliter l'identification au sein des groupes sociaux d'odontocètes. Malgré la diversité des vocalisations produites par les grands groupes de dauphins, le contenu sémantique précis de ces sons reste largement inélucidé. Frankel cite un chercheur qui décrit métaphoriquement l'environnement acoustique d'une école d'odontocètes comme analogue à la cacophonie d'une aire de jeux pour enfants.
Les odontocètes génèrent leurs diverses vocalisations en dirigeant l'air à travers une structure céphalique connue sous le nom de lèvres phoniques. Biologiquement, cette structure est homologue à une lèvre supérieure située dans la cavité nasale ; cependant, sa fonction mécaniste ressemble beaucoup à celle des cordes vocales humaines, situées dans le larynx. Lorsque l'air traverse ce passage rétréci, les membranes des lèvres phoniques se rapprochent, induisant des vibrations dans les tissus adjacents. Ces vibrations, tout comme celles du larynx humain, sont soumises à un contrôle conscient très sensible. Les vibrations qui en résultent se propagent à travers les tissus crâniens jusqu'au melon, un organe qui sculpte et dirige le son vers un faisceau focalisé, essentiel à l'écholocation. À l’exception du cachalot, toutes les baleines à dents possèdent deux ensembles distincts de lèvres phoniques, leur permettant de produire simultanément deux sons indépendants. Après son passage à travers les lèvres phoniques, l'air pénètre dans le sac vestibulaire, à partir duquel il peut soit être recirculé dans la partie inférieure du complexe nasal pour une génération ultérieure de sons, soit expulsé via l'évent.
Le terme français pour lèvres phoniques, museau de singe, se traduit directement par « museau de singe », un descripteur dérivé de la ressemblance perçue de cette structure anatomique chez les cachalots. Des analyses crâniennes avancées menées en 2004, à l'aide de tomodensitométries axiales et à émission de photons uniques, ont révélé que chez les grands dauphins, l'air peut être fourni au complexe nasal directement à partir des poumons. Ce mécanisme permet la production soutenue de sons tant que le dauphin peut reconstituer l'air de son système respiratoire.
Cachalot
Les vocalisations des cachalots sont exclusivement basées sur des clics, classées en quatre types distincts : l'écholocation standard, les craquements, les codas et les clics lents. Les codas représentent les vocalisations les plus caractéristiques, constituées de brèves séquences de clics rythmiques, comprenant généralement 3 à 12 clics disposés selon des modèles standardisés. Ces vocalisations émergent de processus d’apprentissage vocal au sein d’unités sociales stables. Certaines codas véhiculent l'identité du clan, indiquant des variations dans les déplacements, la recherche de nourriture et les interactions sociales ou les comportements d'évitement entre les différents clans. Fonctionnant comme des « traits arbitraires qui servent d'indicateurs fiables de l'affiliation à un groupe culturel », les codas d'identité clanique fonctionnent comme des indices symboliques qui régulent les interactions interindividuelles.
L'expression de l'identité individuelle à travers les vocalisations des cachalots reste un sujet de recherche scientifique en cours. Il est crucial de faire la différence entre les signaux acoustiques et les signaux délibérés. Bien que les outils d'analyse acoustique humaine puissent différencier les baleines individuelles en examinant les caractéristiques subtiles de leurs vocalisations, et que les baleines possèdent probablement une capacité similaire, cela ne confirme pas que les baleines emploient intentionnellement des vocalisations spécifiques pour signaler leur identité individuelle, contrairement aux sifflets de signature utilisés par les grands dauphins pour la reconnaissance individuelle.
Baleines Mysticètes
Les mysticètes n'ont pas de structure labiale phonique ; au lieu de cela, leur larynx semble jouer un rôle déterminant dans la production sonore. Ceci est mis en évidence par la présence d'homologues de la corde vocale au sein d'un pli en forme de U soutenu par des cartilages aryténoïdes. Ces baleines peuvent produire du son sans expirer, car elles retiennent l'air dans un sac laryngé. On suppose que l'air de ce sac est recyclé vers les poumons pour des vocalisations ultérieures. Bien que les mysticètes ne possèdent pas de sinus crâniens osseux, ils possèdent un sac aérien ptérygoïdien. La fonction précise de ce sac dans la production sonore est incertaine (potentiellement résonance), mais son rôle principal est probablement auditif, car il semble maintenir un espace aérien autour des osselets de l'oreille en profondeur.
Plasticité vocale et comportement acoustique
À l'échelle mondiale, au moins neuf populations acoustiques distinctes de rorquals bleus ont été identifiées. Au cours des cinq dernières décennies, les rorquals bleus ont montré un changement dans leurs vocalisations, la fréquence de leurs cris diminuant progressivement. Par exemple, les rorquals bleus pygmées d'Australie réduisent leur fréquence moyenne d'appel à un rythme d'environ 0,35 Hz par an.
Les comportements migratoires des rorquals bleus ne sont pas entièrement compris. Certaines populations semblent parfois résider dans des habitats hautement productifs toute l'année, tandis que d'autres se lancent dans de vastes migrations vers des zones d'alimentation de haute latitude. Cependant, l'ampleur de ces migrations et les segments spécifiques de la population concernés restent largement inconnus.
Niveaux sonores
Les vocalisations des baleines à fanons couvrent une gamme de fréquences allant de 10 Hz à 31 kHz. Les niveaux sonores représentatifs sont présentés dans le tableau suivant.
Interaction humaine
Les chercheurs utilisent des hydrophones, fréquemment adaptés de leur application militaire initiale dans le suivi des sous-marins, pour déterminer avec précision l'origine des vocalisations des baleines. Ces méthodologies permettent également d'évaluer les distances de propagation du son au sein des environnements océaniques. Des études menées par le Dr Christopher Clark de l'Université Cornell, utilisant des données militaires, ont démontré que les sons des baleines peuvent parcourir des milliers de kilomètres. Au-delà des informations sur la production de chants, ces données facilitent le suivi des routes migratoires des baleines pendant la saison du « chant » (des amours). Une découverte importante est que les baleines présentent l'effet Lombard, modifiant leurs vocalisations pour contrecarrer la pollution sonore ambiante.
De plus, des preuves indiquent que les rorquals bleus cessent de produire des appels D en quête de nourriture lors de l'activation du sonar à moyenne fréquence, malgré la plage de fréquences du sonar (1 à 8 kHz) dépassant considérablement leur propre plage de production sonore (25 à 100 Hz).
Des études révèlent un doublement décennal du bruit ambiant des navires, ce qui diminue par conséquent la gamme audible des vocalisations des baleines. Historiquement, avant l’avènement du transport maritime intensif, les sons des baleines traversaient potentiellement des bassins océaniques entiers. Les défenseurs de l'environnement s'inquiètent du fait que cette activité croissante des bateaux impose un stress important à la faune marine et entrave son succès reproducteur.
Au cours de la dernière décennie, de nombreuses méthodologies automatisées efficaces, notamment des techniques de traitement du signal, d'exploration de données et d'apprentissage automatique, ont été développées pour la détection et la classification des vocalisations des baleines.
Historique
Capitaine baleinier Wm. H. Kelly est considéré comme le premier individu à identifier les vocalisations des baleines comme des « chants » distincts lors de son voyage sur le brick Eliza dans la mer du Japon en 1881.
Lors de sa nomination en tant qu'associé en océanographie physique à la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) dans le Massachusetts en 1943, les premières recherches de William E. Schevill se sont concentrées sur l'écholocation des sous-marins sous le patronage de la marine américaine. En 1962, il expliquait : « Pendant la Seconde Guerre mondiale, de nombreuses personnes des deux côtés écoutaient des sons sous-marins pour des raisons militaires. Non seulement les sons recherchés (ceux émis par les navires ennemis), mais une variété déconcertante d'autres ont été entendus. La plupart d'entre eux étaient attribués à des animaux vivant dans la mer, généralement sous le nom de « bruits de poissons ». La salle de sonar naval traditionnelle est terriblement déficiente en fenêtres." Schevill a été le pionnier de l'enregistrement des sons sous-marins des baleines et a ensuite déduit leur signification fonctionnelle à partir de ces données acoustiques. Ses contributions fondamentales ont donné lieu à plus de cinquante publications sur la phonation des baleines, établissant ainsi le cadre fondamental de « littéralement des centaines d'études scientifiques produites par d'autres chercheurs depuis les années 1960 jusqu'à nos jours ». Notamment, son épouse, Barbara Lawrence, qui a été conservatrice des mammifères au Harvard Museum of Comparative Zoology (MCZ), a fréquemment co-écrit ces travaux scientifiques.
Les recherches de William E. Schevill sur les baleines ont finalement recoupé les opérations navales américaines qui ont initialement inspiré sa trajectoire de carrière. Après son décès, la Société de bibliographie d'histoire naturelle a observé : "Bill a contribué à désamorcer un moment de tension entre les États-Unis et l'Union soviétique pendant la guerre froide. L'armée américaine soupçonnait que les Soviétiques utilisaient des signaux basse fréquence pour localiser les sous-marins américains, alors que Bill a montré que ceux-ci étaient produits par des rorquals communs (Balaenoptera physalus) chassant leurs proies."
Médias
Discographie sélectionnée
- L'album Songs of the Humpback Whale (SWR 118) a été initialement publié en 1970 par CRM Records, avec des enregistrements de Roger Payne, Frank Watlington et d'autres contributeurs. Ce LP a ensuite été réédité par Capitol Records, distribué sous forme de disque flexible dans le magazine National Geographic Society, Volume 155, Numéro 1, en janvier 1979. D'autres rééditions incluent une version CD par Living Music/Windham Hill/BMG Records en 1992, et un CD remasterisé par BGO-Beat Goes On en 2001.
- Deep Voices : The Second Whale Record (Capitol/EMI Records 0777 7 11598 1 0) a été lancé sous forme de LP en 1977, comprenant des enregistrements supplémentaires de Roger Payne. Il a ensuite été réédité sur CD en 1995 par Living Music/Windham Hill/BMG Records, avec des vocalisations de baleines à bosse, bleues et noires.
- Northern Whales (MGE 19) a été publié par Music Gallery Editions, à partir d'enregistrements de Pierre Ouellet, John Ford et d'autres chercheurs associés à la recherche interspécifique sur la musique et la communication. Cette compilation présente des vocalisations de bélugas, de narvals, d'orques et de phoques barbus.
- Le CD Sounds of the Earth : Humpback Whales (Oreade Music) est sorti en 1999.
- Rapture of the Deep : Humpback Whale Singing (Compass Recordings) est devenu disponible sur CD en 2001.
- L'album Songlines : Chants des baleines à bosse d'Australie orientale. est sorti en 2009.
Baleine à 52 hertz
- Baleine à 52 hertz
- Bioacoustique
- Biomusique
- Acoustique sous-marine
- Apprentissage vocal