1.4 Besoins pour la vie humaine
Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez capable de :
- Discuter du rôle de l'oxygène et des nutriments dans le maintien de la survie humaine
- Expliquer pourquoi la chaleur et le froid extrêmes menacent la survie humaine
- Expliquer comment la pression exercée par les gaz et les fluides influence la survie humaine
Les humains se sont acclimatés à la vie sur Terre depuis au moins les 200 000 dernières années. 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 la survie. 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 la surface de notre planète et son atmosphère fournissent. Les sections suivantes explorent ces quatre besoins 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, y compris les réactions qui produisent l'ATP. Les cellules cérébrales sont particulièrement sensibles au manque d'oxygène en raison de leur besoin d'une production élevée et constante d'ATP. Des lésions cérébrales sont probables dans les cinq minutes sans oxygène, et la mort est probable dans les dix minutes.
Nutriments
Un nutriment (nutrient) est une substance présente dans les aliments et les boissons qui est essentielle à la survie humaine. Les trois classes fondamentales de nutriments sont l'eau, les nutriments énergétiques et bâtisseurs, et les micronutriments (vitamines et minéraux).
Le nutriment le plus essentiel est l'eau. Selon la température ambiante et notre état de santé, nous ne pouvons survivre que quelques jours sans eau. Les substances chimiques fonctionnelles du corps sont dissoutes et transportées 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 constitue 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 énergétiques 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 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 de mourir de faim 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 le corps en a besoin en grandes quantités. En revanche, les micronutriments sont les vitamines et les minéraux. Ces éléments et composés participent à de nombreuses réactions et processus chimiques essentiels, tels que les impulsions nerveuses, et certains, comme le calcium, contribuent également à la structure du corps. Votre corps 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, tels que la vitamine C et la plupart des vitamines B, sont hydrosolubles et ne peuvent pas être stockés, vous devez donc les consommer tous les jours ou tous les deux jours.
Étroite plage de température
Vous avez probablement vu des reportages sur des athlètes décédés d'un coup de chaleur, ou des randonneurs décédés d'une exposition au froid. Ces décès surviennent parce que les réactions chimiques dont dépend le corps ne peuvent avoir lieu que dans une étroite plage de température corporelle, d'un peu moins à un peu plus de 37°C (98,6°F). Lorsque la température corporelle monte bien au-dessus ou descend bien en dessous de la normale, certaines protéines 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.
Cela dit, le corps peut réagir efficacement à une exposition de courte durée à la chaleur (Figure 1.8) 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, le refroidissant. Une quantité d'eau adéquate est nécessaire pour produire de la sueur, de sorte qu'un apport hydrique suffisant est essentiel pour équilibrer cette perte pendant la réponse de transpiration. Il n'est pas surprenant que la réponse 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 réagir 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 une augmentation de la dégradation de l'énergie stockée pour générer de la chaleur. Cependant, lorsque cette réserve d'énergie est épuisée et que la température centrale commence à chuter de manière significative, les globules rouges perdent leur capacité à libérer de l'oxygène, privant le cerveau de ce composant essentiel de la production d'ATP. Ce manque d'oxygène peut provoquer confusion, léthargie, et finalement perte de conscience et mort. Le corps réagit au froid en réduisant la circulation sanguine vers les extrémités, les mains et les pieds, afin d'éviter que le sang ne s'y refroidisse et que le cœur du corps puisse rester chaud. Même lorsque la température corporelle centrale reste stable, cependant, les tissus exposés à un froid intense, en particulier les doigts et les orteils, peuvent développer des engelures lorsque le flux sanguin vers les extrémités a été considérablement réduit. Cette forme de lésion tissulaire peut être permanente et entraîner une gangrène, nécessitant l'amputation de la région affectée.
Lien avec le 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, outrepasser ce système peut être utile, voire salvateur. L'hypothermie est le terme clinique désignant une température corporelle anormalement basse (hypo- = « en dessous » ou « sous »). L'hypothermie contrôlée est une hypothermie cliniquement induite réalisée afin de réduire le taux métabolique d'un organe ou de l'ensemble du corps 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 dommages. Lorsque l'hypothermie contrôlée est utilisée cliniquement, 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 vers 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 la chirurgie. Cette température très froide aide le muscle cardiaque à tolérer son manque d'approvisionnement sanguin pendant la chirurgie.
Certains médecins urgentistes utilisent l'hypothermie contrôlée pour réduire les dommages au cœur chez les patients ayant subi un arrêt cardiaque. Au service des urgences, le médecin induit un coma et abaisse la température corporelle du patient à environ 32,7°C (91°F). Cette condition, maintenue pendant 24 heures, ralentit le taux métabolique du patient. Étant donné que les organes du patient nécessitent moins de sang pour fonctionner, la charge de travail du cœur est réduite.
Étroite plage de pression atmosphérique
La pression (pressure) 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. Bien que vous ne la perceviez peut-être pas, la pression atmosphérique exerce une pression constante sur votre corps. Cette pression maintient les gaz à l'intérieur de votre corps, tels que l'azote gazeux dans les fluides corporels, dissous. 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 la rupture des cellules.
La pression atmosphérique fait plus que simplement maintenir les gaz sanguins dissous. Votre capacité à respirer – c'est-à-dire à absorber de l'oxygène et à libérer du dioxyde de carbone – dépend également d'une pression atmosphérique précise. Le mal des montagnes survient en partie parce que l'atmosphère à haute altitude exerce moins de pression, réduisant l'échange de ces gaz et provoquant un essoufflement, une confusion, des maux de tête, une léthargie et des nausées. Les alpinistes transportent de l'oxygène pour réduire les effets des faibles niveaux d'oxygène et de la faible pression barométrique à des altitudes plus élevées (Figure 1.9).
Déséquilibres homéostatiques
Maladie de décompression
La maladie de décompression (MDD) est une condition dans laquelle les gaz dissous dans le sang ou dans d'autres tissus corporels ne sont plus dissous suite à une réduction de la pression sur le corps. Cette condition affecte les plongeurs sous-marins qui remontent trop rapidement d'une plongée profonde, et elle peut affecter les pilotes volant à haute altitude dans des avions à cabine non pressurisée. Les plongeurs appellent souvent cette condition « les bends », en référence à la douleur articulaire qui est un symptôme de la MDD.
Dans tous les cas, la MDD est provoquée par une réduction de la pression barométrique. À haute altitude, la pression barométrique est bien inférieure à celle de 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 très grandes pressions exercées sur les plongeurs en eau profonde proviennent également du poids d'une colonne d'eau qui appuie sur le corps. Pour les plongeurs, la MDD survient à une pression barométrique normale, mais elle est provoquée par la diminution relativement rapide de la pression lorsque les plongeurs remontent des conditions de haute pression des eaux profondes vers la pression désormais basse, par comparaison, au niveau de la mer. Il n'est pas surprenant que la plongée dans des 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 une MDD que la plongée en eau au niveau de la mer.
Dans la MDD, les gaz dissous dans le sang sortent rapidement de la solution, formant des bulles dans le sang et dans d'autres tissus corporels. Cela se produit parce que lorsque la pression d'un gaz au-dessus d'un liquide est diminuée, la quantité de gaz qui peut rester dissoute dans le liquide est également diminuée. C'est la pression atmosphérique qui maintient vos gaz sanguins normaux dissous dans le sang. Lorsque la pression est réduite, moins de gaz reste dissous. Vous avez vu cet effet lorsque vous ouvrez une boisson gazeuse. Le retrait du sceau de la bouteille réduit la pression du gaz au-dessus du liquide. Cela provoque à son tour des bulles lorsque les gaz dissous (dans ce cas, le dioxyde de carbone) sortent de la solution dans le liquide.
Les symptômes les plus courants de la MDD sont des douleurs articulaires, des maux de tête et des troubles de la vision survenant dans 10 à 15 % des cas. Sans traitement, une MDD très grave peut entraîner la mort. Le traitement immédiat est l'oxygène pur. La personne affectée est ensuite placée dans une chambre hyperbare. Une chambre hyperbare est une chambre fermée et renforcée qui est pressurisée à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Elle traite la MDD en repressurisant le corps afin que la pression puisse ensuite être retirée beaucoup plus progressivement. Parce que la chambre hyperbare introduit de l'oxygène dans le corps à haute pression, elle 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 de solution.
La pression dynamique des fluides corporels est également importante pour la survie humaine. Par exemple, la pression artérielle, qui est la pression exercée par le sang lorsqu'il circule dans les vaisseaux sanguins, doit être suffisamment élevée pour permettre au sang d'atteindre tous les tissus corporels, et pourtant suffisamment basse pour garantir que les vaisseaux sanguins délicats puissent résister à la friction et à la force du flux pulsatile de sang sous pression.