Remy Alizée Fuchs-Boissard Audrey Côte Clément Schultz Arnaud

Apnée, respiration, acidose et alcalose :

comment contrôler le pH sanguin par la respiration, intérêt pour les plongeurs

L1 Physique Chimie 2014 - 2015

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Table des matières Introduction I - La respiration et l'apnée II – Acidose et alcalose

1) Acidose respiratoire 2) Alcalose respiratoire

III – Intérêt pour les plongeurs

1) Plongée sans bouteille 2) Plongée avec bouteille 3) Préparations des plongeurs

Conclusion Bibliographie

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Introduction

Le pH ou le potentiel hydrogène définit une mesure de l’activité chimique en ion hydrogène . Autrement dit, elle sert à mesurer l’acidité ou la basicité d’une solution. Un soluté avec pH inférieur à 7 est dit acide, égal à 7 est dit neutre, est supérieur à 7 est dit basique. Cette notion est connue par la plupart de la population mondiale grâce aux différents étiquetages des produits de la vie quotidienne. Elle est notamment très présente sur les produits ménagers tels que les détergeants, les crèmes lavantes pour les mains ; mais aussi sur les emballages d’alimentation comme les sodas. Néanmoins, le pH n’est pas un paramètre à prendre à la légère. En effet, des impacts importants peuvent avoir lieu s’il n’est pas régulièrement contrôlé et réglementé. Par exemple, les pluies sont parfois qualifiées de “pluies acides” ce qui signifie que son pH est inférieur à 7. De telles pluies peuvent retarder ou causer la mort de certains végétaux, voir même de forêts entières ; peuvent favoriser le développement de certaines bactéries dans les lacs, et ainsi en augmenter la pollution, … Pour éviter ces phénomènes, les États mettent en place des politiques permanentes ou temporaires, parfois peu significatives aux yeux des habitants, les contraignant dans la plupart du temps, mais très efficace pour la nature. Concernant les pluies acides, la circulation est parfois surveillée afin de limiter ces risques. Rappelons nous, il y a quelques mois, dans les grandes villes françaises, le trafic était dit “alterné” pour ne pas que la pollution produite par les véhicules impacte l’air ambiant, et donc, par la même occasion, l’acidité des pluies. Bien que cela puisse paraître abstrait, l’acidité du sang humain est très contrôlée par l’organisme lui même. Celui ci à un pH plasmatique variant de 7,38 à 7,42 et est mesuré à chaque instant par des molécules, dites “solutions tampons”. Si ce dernier est en dessous ou au dessus de ces valeurs, la personne concernée peut souffrir de traumatismes pouvant provoquer la mort dans certains cas. Cependant, l’Homme étant particulièrement bien constitué, son corps s’adapte en fonction des différentes conditions pour qu’un tel stade ne soit pas atteint. Néanmoins, pour certaines disciplines où ce risque est très favorisé, comme la plongée sous marine, des entraînements (basés sur le système respiratoire) sont nécessaires et pratiqués par ces sportifs pour préparer leur corps à s'accommoder plus facilement. Quels sont les causes d’une modifications du pH sanguin ? Comment la respiration peut jouer un rôle pour le contrôler ? Quels sont les intérêts pour les plongeurs ? Quels types d'entraînements peuvent les aider à mieux gérer ce genre de situation ?

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I – La respiration et l'apnée

La respiration est l'ensemble des phénomènes qui assurent les échanges gazeux entre le milieu ambiant et les cellules vivantes. Elle permet de puiser dans le milieu extérieur l'oxygène nécessaire au fonctionnement du métabolisme et de le redistribuer au sein du corps tout en enlevant à chaque cellule le produit par ce dernier et de le rejeter . Cependant, le 1

système respiratoire ne se limite pas à la ventilation pulmonaire : elle comprend 2

divers mécanismes de transfert de gaz (notamment et ) ainsi que l'acheminement sanguin vers et depuis les cellules. De plus, les mécanismes cellulaires d'utilisation de l’oxygène et de production de

et sont aussi intégrés au mécanisme respiratoire. Il existe trois étapes de la respiration qui sont de nature ventilatoire, circulatoire et tissulaire. Une relation fondamentale nous permet de calculer la pression partielle alvéolaire de (le rejeté provient de la ventilation alvéolaire) :

production métabolique de (ml/min)

ventilation alvéolaire (ml/min) K est une constante

Avec cette formule, nous remarquons aisément que dans la mesure où la production de par l'organisme est constante au cours du temps, toute augmentation de la ventilation alvéolaire diminue la pression partielle alvéolaire et inversement. De part cette équation, nous connaissons la pression du gaz dans le sang et ainsi on peut en déduire la solubilité de ce dernier dans le sang. En effet, chaque gaz se dissout en fonction de sa solubilité (α) qui est inversement proportionnel à la température et donc de sa pression. Lorsque qu'il y a autant de gaz expiré et inspiré, on dit qu'on est à l'équilibre et que le liquide est saturé. Chaque gaz a alors dans le liquide la même pression

1 La respiration cellulaire permet la production d’énergie via une réaction d’oxydo-réduction faisant intervenir le glucose, le dioxygène afin de fabriquer de l’énergie :

C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + Énergie 2 La ventilation pulmonaire permet le renouvellement de l’air au sein des poumons grâce a l’action des muscles pulmonaires, notamment le diaphragme.

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partielle que dans sa phase gazeuse ; et la quantité de gaz dissout (C) est proportionnel à la pression partielle et à sa solubilité :

Bien que cela puisse paraître surprenant, l’Homme est capable de bloquer sa respiration de manière volontaire, c’est ce qu’on appelle l’apnée. Elle décrit l'arrêt instantané de la ventilation pulmonaire, de courte ou de longue durée. Deux différents types d’apnées sont pratiqués selon différentes disciplines : l’apnée en immersion horizontale (statique ou dynamique) et l’apnée en immersion verticale avec variation de pression au cours du temps dû aux changements de profondeur . Pour se donner un ordre d’idée, les 3

apnéistes de haut niveaux atteignent des apnées de 6 à 7 minutes. II – Acidose et alcalose

Le transport et l'élimination du sont indispensables pour assurer l'équilibre acido-basique du sang. La réaction permettant ce dernier est la suivante :

(1)

De ce fait, nous en déduisons que :

(2)

Notons néanmoins que la concentration en bicarbonate se trouve dans les reins et que la concentration d'acide carbonique se localise dans les poumons.

1) Acidose respiratoire

L'acidose se caractérise par un pH sanguin inférieur à 7,38. Elle se

caractérise de deux natures : respiratoire (liée à la concentration d'acide carbonique) contrôlé par le système ventilatoire ; et métabolique réglé par le 4

système rénale. Elle est liée à une augmentation de la concentration en dans le sang. Cela provoque, d’après l’équation (1), une libération de protons

: le pH tend donc à diminuer. Si celui ci devient inférieur à 7,38, le sujet peut développé des traumatismes et, dans certains cas , il peut décéder. 5

Effectivement un pH si faible empêche les protéines de fonctionner correctement. Cependant, pour éviter que ça ne se produise, différents organes comme les poumons interviennent pour inverser la balance : le patient entre dans un état d’hyperventilation. Il va alors augmenter de manière significative sa fréquence de respiration et donc d’expiration afin de baisser la

3 La pression augmente de 1 bar tous les 10 mètres de profondeur. 4 Nous parlons d’acidose métabolique lorsque le taux de bicarbonate est trop faible. Dans ce dossier, nous nous préoccupons uniquement de la respiration, donc de l’acidose respiratoire. 5 Pour un pH inférieur à 7.

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concentration en dioxyde de carbone. De ce fait, d’après l’équation (2), la fonction logarithme va augmenter donc rehausser le pH.

2) Alcalose respiratoire

L’alcalose se caractérise par une augmentation du pH sanguin. Comme l’acidose, elle peut aussi être de nature respiratoire ou métabolique. Elle se traduit par un rejet trop important de dioxyde de carbone (respiratoire) ou 6

une augmentation de la concentration en trop élevé (métabolique). L’alcalose respiratoire est généralement due à une hyperventilation spontanée chez une personne. Elle peut être provoquée par beaucoup de facteurs. Nous retrouvons entre autres l’anxiété, certains états pathologiques (fièvre, AVC, overdose de caféine, ..), les rapports sexuels, les activités physiques, les grossesses, etc.. Il n’y a pas vraiment de réaction possible par l'organisme pour rééquilibrer le pH. Le seul moyen de stabiliser l’acidité du sang est de se calmer et de se reposer dans l’immédiat (en cas de stress ou d’activités 7

physiques).

6 Ce rejet est liée à une hyperventilation trop importante. Paradoxalement, l’hyperventilation est à double tranchant : elle peut nous sauver dans le cas d’une acidose, mais peut nous mettre dans un état d’alcalose ! 7 Pour mieux comprendre, des images sont parfois plus efficaces que des mots. la vidéo du site youtube résume cette situation : https://www.youtube.com/watch?v=p97HeXx0vN0

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III – Intérêt pour les plongeurs

1) Plongée sans bouteille

L’hyperventilation est une technique très connue des plongeurs sans bouteille. Malgré que nous ayons vu que celle ci est provoquée “naturellement” lors d’une alcalose ou d’une acidose respiratoire, celle ci peut être volontaire pour améliorer les performances sportives. Tout d’abord, l’envie de respirer provient d’un excès de dioxyde de carbone dans les poumons, mais un manque d’oxygène ne le fait pas ressentir : c’est ainsi qu’on rentre dans un état d’apnée. Les plongeurs cherchent à avoir une apnée de durée très longue afin de pouvoir rester le maximum de temps sous la mer. De ce fait, ces sportifs la pratiquent en prenant des inspirations suivies d’expirations profondes de manière très rapide afin d’atteindre un seuil minimum, en dessous de la normale, de . Puis, dans la foulée, ils plongent dans l’eau la tête la première. C’est pourquoi, ils peuvent rester plusieurs minutes sans ressentir l’envie de respirer . Cependant, ce procédé n’est pas sans danger : lors de la 8

remontée, les réserves en oxygène sont faibles et poussent le corps à n’utiliser que de très petites quantités par rapport à la normale, le risque d’avoir une syncope liée à une hypocapnie est inévitable. Les courbes ci dessous 9 10

montrent l’analogie entre la pression partielle d’oxygène et de dioxyde de carbone provoquant une syncope ou une envie de respirer.

8 Le plongeur ne ressent pas l’envie de respirer. Cela ne signifie pas pour autant que l’organisme n’en a pas besoin, bien au contraire ! 9 Perte de connaissance brève et spontanée. 10 Diminution anormale de la concentration de dioxyde de carbone dans le sang.

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2) Plongée avec bouteille

La plongée avec bouteille est une discipline totalement différentes des plongeurs apnéistes. Ces plongeurs ne sont pas confrontés à aller à l’encontre du fonctionnement de l’organisme, mais ont des pré requis qui ne doivent pas être négligés durant leurs plongeons. Nous avons vu précédemment que si la concentration en dioxgène augmente, la concentration en augmente proportionnellement . Lors d’un effort, la fréquence ventilatoire s'accroît, la 11

pression en aussi, ainsi que le dioxyde de carbone. Or, l’expiration naturelle à un débit plutôt faible. De ce fait, les poumons se gonflent en , la respiration s’accélère pour maximiser l’expiration de : c’est un cercle vicieux ! Le corps du plongeur entre ainsi en hypoxie donc en acidose. 12

Plusieurs causes peuvent augmenter ce risque d’effort : des efforts musculaires trop importants, le froid, la peur, la profondeur (lié à la pression), une mauvaise forme physique ou mentale, etc..

3) Préparations des plongeurs

Les entraînements des plongeurs sont multiples et variés. Il y a des activités de relaxation comme le yoga pour les pratiquants de la plongée avec bouteille, ou des sports visant à augmenter les capacités cardio-vasculaire tel que la course à pieds pour les adaptes de plongée sans bouteille. Pour les deux disciplines, les objectifs sont communs : ils doivent favoriser une augmentation du volume pulmonaire (6 à 10%) et une diminution du volume de réserve (<6%) tout en diminuant le seuil de sensibilité au taux de et en ayant une meilleure souplesse thoracique. L’amélioration de ces capacités va accroître la tolérance à l’hypercapnie et l’hypocanie, autrement dit à une acidose et alcalose respiratoire. Malgré que ce ne soit pas le sujet de ce dossier, les athlètes doivent aussi se préparer à ces pathologies de type métabolique. Par conséquent, ils apprennent à contrôler leur taux de bicarbonate et de lactose dans les reins.

11 Voir équation (1). 12 Manque d’oxygène au seins de l’organisme. Ici, cela est du à une trop forte quantité en dioxyde de carbone ne laissant pas de place à l’oxygène.

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Le graphique ci dessus montre comment l’évolution des entraînements doit 13

leur être propice ainsi que leur charge de travail. En effet, sur une dizaine de mois, ils travailleront à gérer plusieurs symptôme pour que ceux ci ne se déclenchent pas durant leurs plongeons.

13 Graphique tiré du site www.apnee.weebly.com

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Conclusion

Les cours à l’université sont très théoriques et ne présentent généralement que très peu d’exemples auquel les phénomènes étudiés en cours s’appliquent. Grâce à ce dossier, nous avons découvrir par nous même un domaine où la notion de pH est très présente : le corps humain. En effet, l’acidité du sang est très contrôlée par une solution tampon présente dans

l’organisme qui est le couple . Une faible variation du pH chez l’Homme peut lui engendrer des états d’acidose et d’alcalose, provoquant une perte de connaissance, des vertiges, des nausées pouvant conduire à la mort dans certains cas extrêmes. Lors d’une acidose, le corps peut s’adapter facilement à ces situations de manière ventilatoire ou rénale. Pour une alcalose, le problème est tout autre. La personne peut être sujet à de l’anxiété, un effort trop important ou autre. Dans ce cas, le seul moyen de d'équilibrer la balance acide base de son corps, est de garder son calme et de stopper spontanément toute activité physique. Durant nos recherches, nous nous sommes aperçus que les plongeurs, dès leur entrée en club, sont soumis à des cours de physique et de physiologie afin de comprendre les mécanismes de leur sport et de leur corps. De ce fait, ils comprennent l'intérêt de leurs entraînements, les limites de leurs capacités et les dangers de certaines pratiques dont l’hyperventilation. Nous avons beaucoup appris et nous sommes beaucoup amusés à faire toutes ces recherches, mais nous avons dû parfois nous limiter lorsque nos découvertes étaient trop exhaustives et n’étaient pas dans le sujet (notamment le cas des acidose et alcalose métabolique). Ce dossier nous à donner l’envie de réitérer ce genre de travail au cours de nos études ou durant notre vie professionnelle future.

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Bibliographie Remerciement à : Cours PACES (Première Année Commune aux Études de Santé) www.wikipedia.fr www.doctissimo.fr www.sante-medecine.net www.tinyurl.com www.ideesjeanloup.wordpress.com www.apnee.ffessm.fr www.cmas.org www.immersionlibre.com www.vulgaris-medical.com www.soins-infirmiers.com www.bodyscience.fr www.thelin.net www.youtube.com www.apnee.weebly.com www.valdemarne.fr La liste ci dessus est une liste exhaustive. De ce fait, certains de ces sites ne nous ont pas aidé à composer directement ce dossier, mais nous ont apporté beaucoup pour notre culture personnelle, pour mieux comprendre les phénomènes en détails, etc..

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