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Que reste-t-il de nos branchies ?

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Le Français Stéphane Mifsud émerge de l'eau après son record du monde d'apnée statique : 11 minutes et 35 secondes sans respirer. Record établi le 8 juin 2009 à La Crau et jamais battu depuis.
Le Français Stéphane Mifsud émerge de l'eau après son record du monde d'apnée statique : 11 minutes et 35 secondes sans respirer. Record établi le 8 juin 2009 à La Crau et jamais battu depuis.
© Getty - Patrick Aventurier / Gamma-Rapho

Entretien. À l'occasion des championnats du monde d'apnée à Villefranche-sur-Mer, entretien avec le physiologiste Fabrice Joulia sur l’histoire de notre organisme. Que reste-t-il de notre passé aquatique ? Quand sont apparus les premiers poumons ? L’Homme est-il un mammifère marin comme les autres ?

Les championnats du monde d'apnée se déroulent en France à Villefranche-sur-Mer du 6 au 15 septembre. Lors de ce rendez-vous, des nageurs vont descendre à plus de 100 mètres de profondeur et retenir leur respiration de très longues minutes (le record du monde d'apnée statique - sans bouger - appartient d'ailleurs à un Français depuis dix ans : Stéphane Mifsud, en photo ci-dessus et en vidéo ci-dessous). Des performances qui plongent le commun des mortels dans un abyme de questions... Que nous avons posées à un spécialiste de ce domaine : Fabrice Joulia, docteur en physiologie des environnements extrêmes (plongée, altitude), enseignant à l'université de Toulon et chercheur au C2VN (Centre de cardiologie vasculaire et de nutrition) à la faculté de médecine de Marseille. En tant que spécialiste, il a participé à la préparation de nombreux athlètes, dont Stéphane Mifsud.

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Vidéo qui revient sur le record du monde d'apnée statique établi par le Français Stéphane Mifsud en 2009 : 11 minutes et 35 secondes sans respirer.

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A quelle date apparaissent les premiers animaux dotés de poumons ?

On commence à parler de poumons il y a environ 400 millions d’années. C’est à cette époque que des animaux commencent à pouvoir respirer l’air. À l’origine, ce sont des animaux qui ont la double spécificité : respiration aquatique et aérienne. Ils possèdent les deux organes : poumons et branchies...

Quelle est la différence entre poumons et branchies ?

Les deux organes ont le même but : extraire l’oxygène de l’air ou de l’eau. Mais dans le cas des poumons, il faut un système qui permette l’apport de l’oxygène et l’extraction du dioxyde de carbone, donc il faut une ventilation. Pour les branchies, il suffit que l’organe soit au contact de l’eau et qu’il y ait du courant. Mais ça n'est pas toujours vrai. Si vous prenez le cas des poulpes, des céphalopodes qui sont des mollusques mais avec des branchies, ils ont des siphons qui amènent l’eau chargée en oxygène et font repartir l’eau chargée en gaz carbonique. On trouve donc des similitudes mais pour les branchies, la grosse différence est qu'elles ne sont utilisables qu'à travers l'eau, il faut qu'ils soient humidifiés.

59 min

Des poumons ne pourraient pas retirer l’oxygène de l’eau ?

Il faut savoir que dans l’eau, on trouve 30 fois moins d’oxygène que dans l’air donc même si l'on pouvait potentiellement respirer l’eau, il n'y a que 0,7% d’oxygène dans l’eau et 21% dans l’air, on n’aurait donc pas les mêmes apports, d'autant que cette quantité d’oxygène ridicule diminue si la température, l’acidité ou la salinité augmentent. Mais en plus, nos muscles ventilatoires sont incapables de faire circuler l’eau qui est beaucoup trop dense. Les poissons sont donc très efficaces ! Ils possèdent une capacité d’extraction d’oxygène très importante. Pour autant, certaines espèces font face à un environnement extrêmement pauvre en oxygène et ont survécu en développant des poumons, en plus de leurs branchies : les dipneustes par exemple, des poissons qui vivent en Amazonie dans une eau douce très acide, ils respirent à la surface aussi.

Le cœlacanthe présente également un vestige de poumon ancestral - c'est un animal qui a très peu évolué depuis 350 millions d'années et qui présente la même morphologie que nos ancêtres ayant les premiers quitté l'eau. Les poissons gourami présentent également un système de respiration qu'on appelle des "labyrinthes" et qui leur permettent d'extraire de l'oxygène de l'air. Certains batraciens, comme les urodèles, présentent aussi plusieurs formes de respiration au cours de leur vie : branchiale et cutanée lorsqu'ils sont jeunes, puis pulmonaire par la suite. Enfin, certains insectes respirent grâce à ce qu'on appelle des stigmates, des tout petits tubes qui apportent l'oxygène jusqu'aux organes par des trachéoles et des alvéoles, sans ventilation.

Un dipneuste d'Afrique de l'est. En anglais, l'animal s'appelle "lungfish" : poisson poumon.
Un dipneuste d'Afrique de l'est. En anglais, l'animal s'appelle "lungfish" : poisson poumon.
© Maxppp - A. Hartl / Picture Alliance / Blickwinkel / Newscom

Notre corps conserve-t-il des traces de notre lointain passé aquatique ?

Contrairement aux mammifères marins qui sont revenus à la mer il y a cinquante millions d'années, nous n’y sommes jamais retournés et notre évolution a eu lieu dans un seul sens. Mais effectivement, notre corps présente un certain nombre de mécanismes adaptés à l’apnée, ou en tout cas au manque d'oxygène. 

Il y a d'abord ce qu’on appelle le "diving reflex", le réflexe de plongée : on retrouve ce mécanisme chez tous les animaux terrestres et il est d’autant plus accentué chez les animaux marins. Quand un animal immerge ses voies respiratoires dans l’eau, il met en place des dispositifs pour lutter contre le manque d’oxygène qui va survenir au bout d’un moment. Parmi ces mécanismes, le plus visible de tous est le ralentissement du rythme cardiaque. La raison est simple : le cœur est un muscle qui consomme beaucoup d’oxygène donc s’il bat moins vite, il consomme moins. 

Le deuxième mécanisme est ce qu'on appelle la vasoconstriction périphérique, elle a un double but. Quand on est dans l’eau, la température est généralement plus faible que dans l’air donc il faut limiter la perte thermique. S'il y a moins de circulation dans les jambes, les bras, la peau, etc., il y a moins d’échange thermique donc on perd moins de calories. La deuxième raison : s'il y a moins de circulation, ces territoires consomment moins d’oxygène, qui peut être récupéré pour les deux organes vitaux à court terme : le cerveau et le cœur. Si on ferme à certains endroits, on peut facilement rediriger le sang vers les autres. 

Il y a enfin ce qu'on appelle l'érection pulmonaire. Il s'agit d'un mécanisme adaptatif particulier à l’Homme lorsqu’il plonge et qui va permettre d’éviter la compression trop importante de la cage thoracique en cas d’augmentation de la pression. Ça n'est pas vraiment un mécanisme de protection contre le manque d’oxygène. Cela permet à l’Homme d’aller plus profondément en limitant l'écrasement des poumons via l'apport de sang qui vient contrebalancer la pression. On ne retrouve pas cela chez les mammifère marins, c’est un mécanisme de mammifère terrestre.

Les mammifères marins ont des choses en plus par rapport à nous ?

Énormément de choses en plus ! Les premiers mammifères marins sont apparus il y a 50 millions d’années. Ils sont retournés à l’eau plus tôt que nous. Ils ont des poumons mais pas identiques du point de vue anatomique. Ce sont des poumons compressibles avec des alvéoles qui se ferment lorsque la pression ambiante augmente, la pression interne dans l’alvéole augmente alors, ce qui permet à l’oxygène de beaucoup mieux se diffuser dans le sang. 

Deuxième différence : nous avons un sternum au niveau de la cage thoracique et très peu de côtes flottantes. Cela permet de tenir une  posture droite et l’insertion de nos muscles respiratoires. Mais ce sternum rend notre cage thoracique très rigide et très peu déformable. Les mammifères marins ont un tout petit sternum et d’autres n’en ont pas du tout et n'en ont pas besoin : ainsi, leur cage thoracique est totalement déformable, elle ne subit pas la pression, elle la suit. C'est pour cela que lorsque des baleines ou des dauphins s’échouent, ils s'asphyxient et meurent. Leurs organes sont comprimés car leur cage thoracique n'est pas rigide, ne maintient pas un flux sanguin, ils s’étouffent sous leur propre poids. 

Un cachalot photographié au large des îles Açores en 2009. L'espèce détient le record d'apnée pour un mammifère doté de poumons : 1h30 sans respirer.
Un cachalot photographié au large des îles Açores en 2009. L'espèce détient le record d'apnée pour un mammifère doté de poumons : 1h30 sans respirer.
© Getty - VW Pics / Universal Images Groupe

Les mammifères marins ont également un volume pulmonaire plus élevé mais ils possèdent aussi des sinus remplis de liquide ; les nôtres sont emplis d'air. C'est pour quoi nous avons besoin d’envoyer de l’air dans l’oreille pour contrer la pression sur les tympans. Les mammifères n'ont pas le même sang, ils en ont plus avec une hémoglobine capable de capter beaucoup plus d’oxygène. Leur filière énergétique n'est pas la même non plus : ils utilisent beaucoup plus de lipides que les autres mammifères. Pour lutter contre le froid en fabricant une couche de graisse, pour lutter contre la pression mais aussi pour produire leur énergie, les lipides étant bien plus efficaces que les sucres. Avec l'entraînement, un apnéiste arrive d'ailleurs à recourir plus à ses lipides pour produire son énergie.

Les mammifères marins peuvent rester combien de temps sous l’eau ?

Le record est détenu par les cachalots avec 1h30 d'apnée mesurée contre un peu plus de 11 minutes pour le meilleur humain. Et sachant que le record humain a été établi en apnée statique, sans bouger, alors que le cachalot nageait, chassait... Donc consommait de l'oxygène ! On ne sait pas quelle est leur limite.

Certaines populations humaines sont mieux adaptées que d’autres à la plongée ?

Oui, les Bajau par exemple en Océanie mais ils sont loin d’être la seule population à présenter des prédispositions génétiques : un réflexe à l’apnée plus important ou résistance à l’hypoxie (manque d'oxygène) plus grande. Ils présentent des caractéristiques qui peuvent ressembler à des populations andines, adaptées à un manque d'oxygène à force de vivre à plus de 3 000, 4 000 voire 5 000 mètres d'altitude. Ils ont développé des mécanismes enzymatiques spécifiques avec un système veineux adapté pour stocker plus de sang, donc plus d’oxygène, une rate plus grande également (la rate est l'organe qui stocke du sang, utilisé dans les cas de stress comme l’hémorragie). Ils n'ont pas le même type de récepteur sur leurs cellules et perdent moins facilement connaissance.

Pourrait-on respirer un liquide comme dans le film de James Cameron, Abyss ?

Oui on peut respirer un liquide et c’est même une technique utilisée. Les premiers essais réussis de ventilation liquidienne ont eu lieu dans les années 60 avec les travaux d’un physiologiste américain, Johannes Kylstra. Il a travaillé pour la marine américaine et cherchait comment sauver des gens bloqués dans un sous-marin bloqué au fond de l’eau. L’idée était de mettre de l’eau dans toutes les cavités du corps, pour éviter un accident de décompression. Il avait utilisé de l’eau salé à très forte pression pour dissoudre de l’oxygène et ça ne marchait pas trop mal.

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Extrait du film Abyss où un rat est plongé dans du perfluorocarbure, un liquide que l'on peut respirer avec les poumons.

Par la suite, de nouvelles expériences ont été menées avec un molécule dérivée du perfluorocarbure (le produit mentionné dans le film Abyss) capable de stocker 15 fois plus d’oxygène que le liquide de Kylstra ; par ailleurs, cette molécule pouvait aussi récupérer le gaz carbonique rejeté par le corps. Plusieurs chercheurs ont développé un autre produit : le bromure de perfluorooctyle, utilisé aujourd'hui sans danger. Il sert chez des enfants prématurés qui sont en insuffisance respiratoire ou comme substance dopante chez certains sportifs (injecté dans le sang). Donc Abyss, c'est possible mais pas exactement comme dans le film : la ventilation liquidienne impose qu’il y ait une pompe externe car la cage thoracique et le diaphragme humains ne sont pas assez puissants pour faire circuler le fluide. 

Nous sommes des animaux terriens qui faisons des incursions dans le milieu aquatique mais nous restons terrestres, sans prédispositions comme les mammifères marins.