Objectifs d’apprentissage
- Discuter du rôle de l’oxygène et des nutriments dans le maintien de la survie humaine
- Expliquer pourquoi la chaleur extrême. et le froid extrême menacent la survie humaine
- Expliquer comment la pression exercée par les gaz et les fluides influence la survie humaine
- Discuter du rôle de l’homéostasie dans le fonctionnement sain
- Contraste la rétroaction négative et positive, en donnant un exemple physiologique de chaque mécanisme
Les humains se sont adaptés à la vie sur Terre depuis au moins 200 000 ans. La Terre et son atmosphère nous ont fourni de l’air à respirer, de l’eau à boire et de la nourriture à manger, mais ce ne sont pas les seules exigences pour survivre. Bien que vous y pensiez rarement, vous ne pouvez pas non plus vivre en dehors d’une certaine plage de température et de pression que vous offre la surface de notre planète et son atmosphère. Les sections suivantes explorent ces quatre exigences de la vie.
Oxygène
L’air atmosphérique ne contient qu’environ 20 % d’oxygène, mais cet oxygène est un composant clé des réactions chimiques qui maintiennent le corps en vie, notamment les réactions qui produisent l’ATP. Les cellules du cerveau sont particulièrement sensibles au manque d’oxygène car elles ont besoin d’une production élevée et constante d’ATP. Les lésions cérébrales sont probables en cinq minutes sans oxygène, et la mort en dix minutes.
Nutriments
Un nutriment est une substance présente dans les aliments et les boissons qui est essentielle à la survie de l’homme. Les trois classes de base de nutriments sont l’eau, les nutriments producteurs d’énergie et constructeurs de corps, et les micronutriments (vitamines et minéraux).
Le nutriment le plus critique est l’eau. Selon la température ambiante et notre état de santé, nous ne pouvons survivre que quelques jours sans eau. Les produits chimiques fonctionnels de l’organisme sont dissous et transportés dans l’eau, et les réactions chimiques de la vie ont lieu dans l’eau. De plus, l’eau est le composant le plus important des cellules, du sang et du liquide entre les cellules, et l’eau représente environ 70 % de la masse corporelle d’un adulte. L’eau aide également à réguler notre température interne et amortit, protège et lubrifie les articulations et de nombreuses autres structures corporelles.
Les nutriments générateurs d’énergie sont principalement les glucides et les lipides, tandis que les protéines fournissent principalement les acides aminés qui sont les éléments constitutifs du corps lui-même. Vous les ingérez dans les aliments et les boissons d’origine végétale et animale, et le système digestif les décompose en molécules suffisamment petites pour être absorbées. Les produits de dégradation des glucides et des lipides peuvent ensuite être utilisés dans les processus métaboliques qui les convertissent en ATP. Bien que vous puissiez avoir l’impression d’être affamé après avoir manqué un seul repas, vous pouvez survivre sans consommer les nutriments énergétiques pendant au moins plusieurs semaines.
L’eau et les nutriments énergétiques sont également appelés macronutriments car l’organisme en a besoin en grande quantité. En revanche, les micronutriments sont les vitamines et les minéraux. Ces éléments et composés participent à de nombreuses réactions et processus chimiques essentiels, comme l’influx nerveux, et certains, comme le calcium, contribuent également à la structure de l’organisme. Votre organisme peut stocker certains des micronutriments dans ses tissus et puiser dans ces réserves si vous ne les consommez pas dans votre alimentation pendant quelques jours ou semaines. D’autres micronutriments, comme la vitamine C et la plupart des vitamines B, sont solubles dans l’eau et ne peuvent pas être stockés, vous devez donc les consommer tous les jours ou tous les deux jours.
Etendue étroite de température
Vous avez probablement vu des reportages sur des athlètes morts d’un coup de chaleur, ou des randonneurs morts d’une exposition au froid. Ces décès surviennent parce que les réactions chimiques dont dépend le corps ne peuvent avoir lieu que dans une plage étroite de température corporelle, entre un peu moins et un peu plus de 37°C (98,6°F). Lorsque la température corporelle s’élève bien au-dessus ou descend bien au-dessous de la normale, certaines protéines (enzymes) qui facilitent les réactions chimiques perdent leur structure normale et leur capacité à fonctionner et les réactions chimiques du métabolisme ne peuvent pas se dérouler.
Figure 1. Chaleur extrême. Les humains s’adaptent dans une certaine mesure à une exposition répétée à des températures élevées. (crédit : McKay Savage/flickr)
Cela dit, le corps peut répondre efficacement à une exposition de courte durée à la chaleur (Figure 1) ou au froid. L’une des réponses du corps à la chaleur est, bien sûr, la transpiration. Lorsque la sueur s’évapore de la peau, elle élimine une partie de l’énergie thermique du corps et le refroidit. Une quantité adéquate d’eau (provenant du liquide extracellulaire du corps) est nécessaire pour produire la sueur, et un apport adéquat de liquide est donc essentiel pour équilibrer la perte pendant la réaction de transpiration. Il n’est pas surprenant que la réaction de transpiration soit beaucoup moins efficace dans un environnement humide, car l’air est déjà saturé d’eau. Ainsi, la sueur à la surface de la peau ne peut pas s’évaporer, et la température interne du corps peut devenir dangereusement élevée.
Le corps peut également répondre efficacement à une exposition de courte durée au froid. Une réponse au froid est le frisson, qui est un mouvement musculaire aléatoire qui génère de la chaleur. Une autre réponse est la dégradation accrue de l’énergie stockée pour générer de la chaleur. Toutefois, lorsque cette réserve d’énergie est épuisée et que la température centrale commence à baisser de manière significative, les globules rouges perdent leur capacité à fournir de l’oxygène, privant ainsi le cerveau de ce composant essentiel à la production d’ATP. Ce manque d’oxygène peut entraîner la confusion, la léthargie, et finalement la perte de conscience et la mort. Le corps réagit au froid en réduisant la circulation sanguine vers les extrémités, les mains et les pieds, afin d’empêcher le sang de s’y refroidir et pour que le cœur du corps puisse rester chaud. Cependant, même lorsque la température centrale du corps reste stable, les tissus exposés à un froid intense, en particulier les doigts et les orteils, peuvent développer des gelures lorsque la circulation sanguine vers les extrémités a été fortement réduite. Cette forme de lésion tissulaire peut être permanente et conduire à la gangrène, nécessitant l’amputation de la région touchée.
La connexion au quotidien : Hypothermie contrôlée
Comme vous l’avez appris, le corps s’engage continuellement dans des processus physiologiques coordonnés pour maintenir une température stable. Dans certains cas, cependant, passer outre ce système peut être utile, voire même sauver la vie. L’hypothermie est le terme clinique désignant une température corporelle anormalement basse (hypo- = “en dessous” ou “sous”). L’hypothermie contrôlée est une hypothermie induite cliniquement réalisée afin de réduire le taux métabolique d’un organe ou du corps entier d’une personne.
L’hypothermie contrôlée est souvent utilisée, par exemple, lors d’une chirurgie à cœur ouvert car elle diminue les besoins métaboliques du cerveau, du cœur et d’autres organes, réduisant ainsi le risque de les endommager. Lorsque l’hypothermie contrôlée est utilisée en clinique, le patient reçoit des médicaments pour prévenir les frissons. Le corps est ensuite refroidi à 25-32°C (79-89°F). Le cœur est arrêté et une pompe cœur-poumon externe maintient la circulation dans le corps du patient. Le cœur est refroidi davantage et est maintenu à une température inférieure à 15°C (60°F) pendant toute la durée de l’opération. Cette température très froide aide le muscle cardiaque à tolérer son manque d’apport sanguin pendant l’opération.
Certains médecins des services d’urgence utilisent l’hypothermie contrôlée pour réduire les dommages au cœur chez les patients qui ont subi un arrêt cardiaque. Aux urgences, le médecin induit un coma et abaisse la température corporelle du patient à environ 91 degrés. Cet état, qui est maintenu pendant 24 heures, ralentit le taux métabolique du patient. Comme les organes du patient ont besoin de moins de sang pour fonctionner, la charge de travail du cœur est réduite.
Plage étroit de la pression atmosphérique
La pression est une force exercée par une substance qui est en contact avec une autre substance. La pression atmosphérique est la pression exercée par le mélange de gaz (principalement l’azote et l’oxygène) dans l’atmosphère terrestre. Même si vous ne la percevez pas, la pression atmosphérique exerce une pression constante sur votre corps. Cette pression maintient la dissolution des gaz présents dans votre corps, comme l’azote gazeux contenu dans les fluides corporels. Si vous étiez soudainement éjecté d’un vaisseau spatial au-dessus de l’atmosphère terrestre, vous passeriez d’une situation de pression normale à une situation de très basse pression. La pression de l’azote gazeux dans votre sang serait beaucoup plus élevée que la pression de l’azote dans l’espace entourant votre corps. En conséquence, l’azote gazeux dans votre sang se dilaterait, formant des bulles qui pourraient bloquer les vaisseaux sanguins et même provoquer l’éclatement des cellules.
La pression atmosphérique ne fait pas que maintenir les gaz sanguins dissous. Votre capacité à respirer – c’est-à-dire à absorber de l’oxygène et à rejeter du dioxyde de carbone – dépend également d’une pression atmosphérique précise. Le mal de l’altitude se produit en partie parce que l’atmosphère à haute altitude exerce une pression moindre, réduisant l’échange de ces gaz et provoquant essoufflement, confusion, maux de tête, léthargie et nausées. Les alpinistes transportent de l’oxygène pour réduire les effets à la fois des faibles niveaux d’oxygène et de la faible pression barométrique en haute altitude (figure 2).
Figure 2. Des conditions difficiles. Les grimpeurs du mont Everest doivent s’accommoder d’un froid extrême, d’un faible taux d’oxygène et d’une faible pression barométrique dans un environnement hostile à la vie humaine. (crédit : Melanie Ko/flickr)
Déséquilibres homéostatiques : Mal de décompression
Le mal de décompression (MCD) est une condition dans laquelle les gaz dissous dans le sang ou dans d’autres tissus du corps ne le sont plus suite à une réduction de la pression sur le corps. Cet état affecte les plongeurs sous-marins qui remontent à la surface trop rapidement après une plongée profonde, et il peut affecter les pilotes volant à haute altitude dans des avions à cabine non pressurisée. Les plongeurs appellent souvent cette condition “the bends”, une référence aux douleurs articulaires qui sont un symptôme de DCS.
Dans tous les cas, le DCS est provoqué par une réduction de la pression barométrique. En haute altitude, la pression barométrique est beaucoup plus faible qu’à la surface de la Terre car la pression est produite par le poids de la colonne d’air au-dessus du corps qui appuie sur le corps. Les pressions très élevées que subissent les plongeurs en eau profonde proviennent également du poids d’une colonne d’eau qui appuie sur le corps. Pour les plongeurs, le DCS se produit à une pression barométrique normale (au niveau de la mer), mais il est provoqué par la diminution relativement rapide de la pression lorsque les plongeurs passent des conditions de haute pression des eaux profondes à la pression désormais faible, en comparaison, du niveau de la mer. Il n’est pas surprenant que la plongée dans les lacs de montagne profonds, où la pression barométrique à la surface du lac est inférieure à celle du niveau de la mer, soit plus susceptible d’entraîner un DCS que la plongée dans l’eau au niveau de la mer.
Dans le DCS, les gaz dissous dans le sang (principalement l’azote) sortent rapidement de la solution, formant des bulles dans le sang et dans d’autres tissus du corps. Cela se produit parce que lorsque la pression d’un gaz sur un liquide diminue, la quantité de gaz qui peut rester dissoute dans le liquide diminue également. C’est la pression de l’air qui maintient les gaz sanguins normaux dissous dans le sang. Lorsque la pression est réduite, moins de gaz reste dissous. Vous avez pu le constater en ouvrant une boisson gazeuse. Le retrait du sceau de la bouteille réduit la pression du gaz sur le liquide. Cela provoque à son tour des bulles, car les gaz dissous (dans ce cas, le dioxyde de carbone) sortent de la solution dans le liquide.
Les symptômes les plus courants de la DCS sont des douleurs dans les articulations, avec des maux de tête et des troubles de la vision dans 10 % à 15 % des cas. En l’absence de traitement, un SCD très grave peut entraîner la mort. Le traitement immédiat consiste à administrer de l’oxygène pur. La personne affectée est ensuite transférée dans un caisson hyperbare. Un caisson hyperbare est une chambre fermée et renforcée qui est pressurisée à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Il traite le SCD en repressurisant le corps de sorte que la pression puisse ensuite être éliminée beaucoup plus progressivement. Comme le caisson hyperbare introduit de l’oxygène dans le corps à haute pression, il augmente la concentration d’oxygène dans le sang. Cela a pour effet de remplacer une partie de l’azote dans le sang par de l’oxygène, qui est plus facile à tolérer hors solution.
La pression dynamique des fluides corporels est également importante pour la survie humaine. Par exemple, la pression sanguine, qui est la pression exercée par le sang lorsqu’il circule dans les vaisseaux sanguins, doit être suffisamment grande pour permettre au sang d’atteindre tous les tissus du corps, tout en étant suffisamment faible pour que les délicats vaisseaux sanguins puissent résister à la friction et à la force du flux pulsé du sang sous pression.
Un deuxième exemple de rétroaction positive est centré sur l’inversion des dommages extrêmes subis par le corps. Après une blessure pénétrante, la menace la plus immédiate est la perte excessive de sang. Moins de sang circulant signifie une pression sanguine réduite et une perfusion (pénétration du sang) réduite au cerveau et aux autres organes vitaux. Si la perfusion est gravement réduite, les organes vitaux s’arrêtent et la personne meurt. Le corps réagit à cette catastrophe potentielle en libérant des substances dans la paroi du vaisseau sanguin lésé, qui amorcent le processus de coagulation du sang. Chaque étape de la coagulation stimule la libération d’autres substances coagulantes. Cela accélère les processus de coagulation et de fermeture de la zone endommagée. La coagulation est contenue dans une zone locale en fonction de la disponibilité étroitement contrôlée des protéines de coagulation. Il s’agit d’une cascade d’événements adaptative et salvatrice.