Le Corps humain

Le corps en un coup d'œil

Tenez-vous droit, regard devant, bras le long du corps, paumes tournées vers l'avant : vous voilà dans la position anatomique, la posture de référence de tous les anatomistes. C'est d'elle que viennent les mots qui permettent de lire la carte : antérieur (devant) et postérieur (derrière), supérieur (vers la tête) et inférieur (vers les pieds), médial (vers la ligne médiane) et latéral (qui s'en éloigne). Une tranche verticale imaginaire passant par le nez et le nombril, le plan sagittal, partage le corps en deux moitiés droite et gauche qui semblent se refléter. « Gauche » désigne toujours la gauche du sujet lui-même : voilà pourquoi, sur le dessin d'une personne qui vous fait face, son cœur se trouve à votre droite.

Vue de l'extérieur, la symétrie est convaincante. À l'intérieur, beaucoup moins. Le foie, le plus gros organe interne avec environ 1,5 kilogramme, loge surtout à droite sous les côtes ; l'estomac et la rate sont à gauche ; le poumon gauche compte deux lobes contre trois à droite, ménageant une encoche pour le cœur. Environ une personne sur 10 000 présente un situs inversus, une disposition des organes entièrement inversée, et ne le découvre parfois qu'à l'occasion d'un examen d'imagerie.

Les organes sont rangés dans des compartiments protégés, les cavités du corps. Le crâne abrite l'encéphale, de 1,3 à 1,4 kilogramme de tissu qui consomme environ un cinquième de l'énergie du corps au repos. La cavité thoracique, enfermée par 24 côtes, contient le cœur et les poumons. Un dôme musculaire, le diaphragme, la sépare de la cavité abdominale, où se trouvent l'estomac, le foie, les intestins et les reins, et qui se prolonge par la cavité pelvienne, avec la vessie et les organes reproducteurs.

Le saviez-vous ? Le cœur se trouve presque au milieu de la poitrine, derrière le sternum ; seule sa pointe s'incline vers la gauche, et c'est là que l'on sent battre.

L'inventaire impressionne : 206 os chez l'adulte type, plus de 600 muscles squelettiques, environ cinq litres de sang et une peau d'une surface de 1,5 à 2 mètres carrés. L'eau représente environ 60 % du poids d'un homme adulte, un peu moins chez la femme, qui porte en moyenne davantage de graisse.

Cette carte a été dressée étonnamment tard. Pendant quelque 1 300 ans, la médecine européenne a suivi Galien, médecin grec installé à Rome, qui avait surtout disséqué des animaux, porcs et singes. En 1543, André Vésale publie De humani corporis fabrica, fondé sur la dissection humaine, et corrige nombre d'erreurs de Galien, des lobes du foie à la mâchoire inférieure, qui chez l'humain est un os unique. La carte sert encore chaque jour : les chirurgiens se repèrent grâce aux reliefs de surface, et la douleur de l'appendicite commence souvent près du nombril avant de se fixer en bas à droite. Le corps est un bâtiment bien organisé ; savoir où se trouvent les pièces est le premier pas pour comprendre comment il fonctionne.

Trente-sept mille milliards de cellules

Compter les cellules d'un corps humain semble une tâche impossible, et au sens propre personne ne l'a jamais faite. Les scientifiques procèdent par estimation, organe par organe, en multipliant le volume de chaque tissu par la taille ou la densité typique de ses cellules. En 2013, une équipe dirigée par Eva Bianconi est arrivée à environ 37 000 milliards pour un adulte moyen. Une révision de 2016, due à Ron Sender, Shai Fuchs et Ron Milo, à partir d'un homme de référence de 70 kilogrammes, en propose environ 30 000 milliards. Dans les deux cas, c'est plusieurs milliers de fois la population de la Terre.

La surprise tient à la répartition. Environ cinq cellules sur six sont des globules rouges, de minuscules disques de 7 à 8 micromètres de diamètre (un micromètre vaut un millième de millimètre). Si petits et si nombreux, ils dominent le décompte tout en ne pesant que quelques pour cent de la masse du corps. Viennent ensuite les plaquettes, fragments de cellules qui colmatent les fuites, au nombre d'environ 1 500 milliards. Les 86 milliards de neurones du cerveau, malgré leur importance, ne sont qu'une erreur d'arrondi dans ce recensement. En poids, tout s'inverse : les cellules musculaires et adipeuses, peu nombreuses mais grosses, représentent l'essentiel de la masse cellulaire.

Les tailles varient énormément. L'ovule humain, d'environ 0,1 millimètre, est la plus grande cellule, tout juste visible à l'œil nu ; la tête d'un spermatozoïde mesure environ 5 micromètres. Un motoneurone qui commande le gros orteil a son corps cellulaire dans le bas de la moelle épinière et un prolongement unique, l'axone, qui peut atteindre près d'un mètre chez un adulte de grande taille.

Le saviez-vous ? Votre corps abrite à peu près autant de bactéries que de cellules humaines, environ 38 000 milliards, surtout dans le côlon ; l'idée qu'elles nous dépassent à dix contre un reposait sur une estimation grossière des années 1970.

Les cellules sont aussi sans cesse remplacées. Selon des estimations récentes, environ 330 milliards de cellules sont renouvelées chaque jour, soit 1 % du total, en grande majorité des cellules sanguines et celles de la paroi intestinale. Un globule rouge vit environ 120 jours, une cellule de la surface de l'intestin grêle quelques jours seulement. D'autres nous accompagnent toute la vie, comme la plupart des neurones du cortex et les fibres situées au cœur du cristallin.

L'idée que les êtres vivants sont faits de cellules est plus jeune que le télescope. Robert Hooke invente le mot cellule en 1665, après avoir observé au microscope les petites loges du liège. En 1838 et 1839, Matthias Schleiden et Theodor Schwann proposent que toutes les plantes et tous les animaux sont faits de cellules, et Rudolf Virchow popularise plus tard le principe selon lequel toute cellule provient d'une autre cellule. Quand cette division ordonnée déraille et que des cellules se multiplient sans frein, c'est le cancer. En attendant, une simple goutte de sang d'un microlitre contient environ cinq millions de globules rouges : la population d'un petit pays dans un point que l'on efface du bout du doigt.

À l'intérieur d'une cellule

Une cellule humaine typique mesure de 10 à 30 micromètres : deux douzaines d'entre elles tiendraient côte à côte dans le point qui termine cette phrase. À l'intérieur, ce n'est pas un sac de gelée mais une usine affairée. Sa paroi extérieure est la membrane plasmique, une double couche de molécules grasses, les phospholipides, épaisse de 7 à 10 nanomètres seulement et parsemée de protéines qui servent de portes, de pompes et de récepteurs. Tout ce qu'elle renferme, hormis le noyau, forme le cytoplasme, un gel aqueux encombré où flottent les pièces de la machine, les organites.

Le noyau est le siège de la direction. Il garde l'ADN derrière une double membrane percée de milliers de pores, et contient une zone dense, le nucléole, où sont assemblées les pièces des ribosomes. Les instructions sortent du noyau sous forme de molécules messagères ; l'ADN, lui, ne quitte jamais la maison.

La fabrication se fait sur les ribosomes, des machines moléculaires qui construisent les protéines. Beaucoup sont fixés sur le réticulum endoplasmique rugueux, un labyrinthe de membranes repliées où les nouvelles protéines sont enfilées et pliées. De petites bulles, les vésicules, les acheminent jusqu'à l'appareil de Golgi, une pile de sacs aplatis qui les retouche, les étiquette et les trie pour un usage interne ou pour l'exportation. Les déchets vont aux lysosomes, des sacs d'enzymes digestives qui travaillent à une acidité proche de pH 5 et démontent les pièces usées comme les intrus capturés. Le tout tient en forme grâce au cytosquelette, un échafaudage de filaments protéiques qui sert aussi de rails à des protéines motrices chargées de transporter les cargaisons.

L'énergie vient des mitochondries, des organites en forme de haricot qui associent l'oxygène au carburant tiré des aliments pour produire l'ATP, la monnaie énergétique de la cellule. Une cellule du foie peut en contenir un millier ou davantage. Les mitochondries possèdent leur propre petite boucle d'ADN, porteuse de 37 gènes et héritée presque exclusivement de la mère. C'est un indice de leur origine : elles descendraient de bactéries englouties par une cellule ancestrale il y a bien plus d'un milliard d'années, une idée défendue par Lynn Margulis à partir de 1967.

Le saviez-vous ? Les globules rouges mûrs expulsent leur noyau et n'ont pas de mitochondries : ils ne consomment rien de l'oxygène qu'ils transportent.

L'essentiel de ce monde est resté invisible jusqu'au microscope électronique. Camillo Golgi aperçoit son appareil en 1898 grâce à une coloration à l'argent, mais certains doutent de sa réalité jusqu'aux images électroniques des années 1950. Albert Claude, Christian de Duve et George Palade, qui ont cartographié la voie de sécrétion et découvert les lysosomes, partagent le prix Nobel en 1974. Quand une pièce fait défaut, les effets sont précis : dans la maladie de Tay-Sachs, l'absence d'une enzyme lysosomale laisse une substance grasse s'accumuler dans les neurones. Plus réjouissant, l'entraînement d'endurance pousse les cellules musculaires à fabriquer davantage de mitochondries, l'une des raisons pour lesquelles la forme progresse. Chacune de vos cellules est une usine qui ne ferme jamais.

L'ADN : le mode d'emploi

Presque chaque cellule de votre corps porte une copie complète des instructions qui vous construisent. Elles sont écrites dans l'ADN, l'acide désoxyribonucléique, une longue molécule en forme d'échelle torsadée : la double hélice. Chaque montant est une chaîne de sucres et de phosphates ; chaque barreau est une paire de lettres chimiques, les bases. Il en existe quatre, l'adénine, la thymine, la cytosine et la guanine, qui s'apparient selon une règle stricte : A avec T, C avec G. Chaque brin dictant l'autre, la molécule porte en elle le gabarit de sa propre copie.

Un jeu complet d'instructions humaines, le génome, compte environ 3,1 milliards de paires de bases, et la plupart des cellules en portent deux jeux, un de chaque parent, répartis sur 46 chromosomes groupés en 23 paires. Déroulé, l'ADN d'une seule cellule mesurerait environ 2 mètres, et pourtant il tient dans un noyau d'environ 6 micromètres. Il y parvient en s'enroulant autour de bobines de protéines, les histones, qui forment des nucléosomes comme des perles sur un fil, lesquels se replient et forment des boucles pour donner la chromatine compacte. L'hélice elle-même ne mesure qu'environ 2 nanomètres de large.

Un gène est un segment d'ADN qui porte la recette d'une protéine ou d'une molécule d'ARN active. L'être humain possède environ 20 000 gènes codant des protéines, bien moins que ce qu'attendaient de nombreux chercheurs, et à peu près autant qu'un minuscule ver rond. Les parties codantes ne représentent que 1 à 2 % du génome ; une bonne part du reste aide à décider quand et où les gènes s'allument, et une autre n'a pas de fonction connue.

Le saviez-vous ? Deux personnes quelconques partagent environ 99,9 % de leur séquence d'ADN, et pourtant les 0,1 % restants représentent encore des millions de lettres.

Le chemin vers l'hélice fut long. En 1869, Friedrich Miescher isole, à partir de bandages imbibés de pus, une substance qu'il nomme « nucléine ». En 1952, Rosalind Franklin et son étudiant Raymond Gosling obtiennent une image aux rayons X, le cliché 51, qui révèle un motif hélicoïdal. S'appuyant notamment sur ses données, James Watson et Francis Crick publient en 1953 leur modèle de double hélice, en notant avec un sens célèbre de l'euphémisme que cet appariement suggère immédiatement un mécanisme de copie du matériel génétique. Le Projet génome humain déclare sa séquence pratiquement achevée en 2003, et les dernières lacunes tenaces sont comblées en 2022.

À chaque division, une cellule recopie ses quelque six milliards de lettres, et des enzymes correctrices limitent les erreurs à environ une sur un milliard. Une seule lettre fausse peut pourtant compter : la drépanocytose résulte d'un unique changement dans le gène d'une partie de l'hémoglobine, qui rigidifie et déforme les globules rouges. La plupart des variations sont toutefois anodines et forment la matière première de l'individualité. Cette copie presque parfaite explique qu'un enfant puisse hériter du menton de sa grand-mère : le manuel se transmet page après page, avec remarquablement peu de coquilles.

Les protéines : les ouvrières du corps

Si l'ADN est le mode d'emploi, les protéines sont la main-d'œuvre. Elles transportent l'oxygène, digèrent les aliments, contractent les muscles, fabriquent les cheveux, copient l'ADN, combattent les infections et relaient les messages entre cellules. Après l'eau, elles constituent la plus grande part de la masse d'une cellule, et le corps en fabrique plusieurs milliers de sortes.

Chaque protéine est une chaîne de briques appelées acides aminés, dont le corps utilise 20 types. Sa fabrication se fait en deux temps. D'abord, dans le noyau, une enzyme, l'ARN polymérase, recopie un gène en une copie de travail mobile, l'ARN messager : c'est la transcription. Le messager se glisse hors du noyau par un pore et gagne le cytoplasme, où un ribosome s'y accroche et le lit trois lettres à la fois. Chaque triplet, ou codon, désigne un acide aminé, apporté par une molécule adaptatrice correspondante, l'ARN de transfert. Le ribosome relie les acides aminés un à un, à raison de quelques-uns par seconde dans les cellules humaines, jusqu'à rencontrer un codon stop. C'est la traduction. Avec quatre lettres lues par trois, il existe 64 codons, bien assez pour 20 acides aminés et des signaux de début et de fin.

Une chaîne n'est pas encore une protéine active. Elle doit se replier, généralement en bien moins d'une seconde, en une forme tridimensionnelle précise. Certains segments s'enroulent en spirales, les hélices alpha, d'autres se plissent en feuillets bêta, et l'ensemble se tasse en une forme compacte. Certaines protéines s'associent ensuite. L'hémoglobine, qui transporte l'oxygène dans les globules rouges, réunit quatre chaînes totalisant 574 acides aminés, chacune portant un groupement hème contenant du fer. La forme, c'est la fonction : la poche d'une enzyme épouse sa cible comme une serrure sa clé.

Le saviez-vous ? La plus grande protéine humaine connue, la titine, véritable ressort moléculaire du muscle, peut compter plus de 34 000 acides aminés.

Les protéines varient énormément en taille et en rôle. L'insuline ne compte que 51 acides aminés ; Frederick Sanger en avait établi la séquence complète en 1955, première protéine jamais séquencée, ce qui lui valut le prix Nobel en 1958. Les premières structures en trois dimensions, celles de la myoglobine et de l'hémoglobine, sont résolues par cristallographie aux rayons X par John Kendrew et Max Perutz entre 1958 et 1960. La protéine la plus abondante du corps est le collagène, fibre en forme de corde de la peau, des tendons et des os, qui représente environ un quart à un tiers de toutes les protéines.

Quand le repliement échoue, les conséquences peuvent être graves. Dans la mucoviscidose, la version défectueuse la plus courante d'une protéine canal se replie mal et est détruite avant d'atteindre la surface de la cellule. Dans les maladies à prions, une protéine mal repliée force les copies normales à mal se replier à leur tour. On peut observer ce changement de forme dans sa cuisine : la chaleur déplie les protéines du blanc d'œuf, transformant un liquide clair en un solide blanc et ferme, et aucun refroidissement ne le fera revenir en arrière. Un gène n'est qu'une recette ; la protéine est le plat, et sa forme est tout.

Les cellules souches

Chacun de vos quelque 200 types de cellules spécialisées, du neurone à la cellule adipeuse, descend d'une seule cellule : l'ovule fécondé. Une cellule souche est une cellule qui conserve une part de cette promesse d'origine. Elle possède deux talents distinctifs. Elle peut s'autorenouveler, en se divisant pour produire d'autres cellules souches, et elle peut se différencier, en donnant naissance à des cellules spécialisées.

Les cellules souches présentent des degrés de polyvalence, que l'on appelle potence. L'ovule fécondé et ses toutes premières cellules filles sont totipotents : ils peuvent former un corps entier ainsi que le placenta. Environ cinq jours après la fécondation, l'embryon est une boule creuse d'une centaine de cellules ou plus, le blastocyste, qui renferme un amas interne, la masse cellulaire interne. Ces cellules sont pluripotentes : elles peuvent devenir n'importe quel type cellulaire du corps. Au fil du développement, elles se répartissent en trois feuillets embryonnaires. L'ectoderme donne la peau et le système nerveux ; le mésoderme, les muscles, les os, le sang et le cœur ; l'endoderme, la muqueuse du tube digestif et des poumons, ainsi que des organes comme le foie.

L'adulte conserve de plus petites réserves de cellules souches adultes, multipotentes, chacune limitée à son tissu. Les plus actives vivent dans la moelle osseuse, où les cellules souches hématopoïétiques (qui fabriquent le sang) et leur descendance produisent environ deux millions de globules rouges par seconde, ainsi que des globules blancs et des plaquettes. Les cellules souches nichées au fond des replis de la paroi intestinale en renouvellent la surface en quelques jours, et celles de la base de l'épiderme le renouvellent environ chaque mois. D'autres tissus sont bien plus économes : les cellules du muscle cardiaque ne sont remplacées qu'à raison d'environ 1 % par an chez le jeune adulte, et plus lentement avec l'âge.

Le saviez-vous ? Cette estimation pour le cœur provient du carbone 14 libéré par les essais nucléaires de la guerre froide, qui a laissé un tampon datable dans l'ADN de chaque cellule fabriquée depuis.

L'existence des cellules souches du sang est démontrée en 1961 par James Till et Ernest McCulloch, à Toronto, qui remarquent des grosseurs sur la rate de souris irradiées, chacune étant une colonie issue d'une seule cellule de moelle. La greffe de moelle osseuse, mise au point par E. Donnall Thomas, reste la thérapie par cellules souches la mieux établie. En 2006, Shinya Yamanaka montre qu'il suffit d'activer quatre gènes pour ramener des cellules adultes de souris à l'état pluripotent : ce sont les cellules souches pluripotentes induites. Il partage le prix Nobel 2012 avec John Gurdon, qui avait reprogrammé des cellules de grenouille des décennies plus tôt.

Lorsque des cellules productrices de sang accumulent des mutations nocives, elles peuvent donner une leucémie. De nombreux traitements proposés au-delà des greffes de sang et de moelle restent expérimentaux et sont encore évalués dans des essais encadrés. Le travail quotidien des cellules souches, lui, ne s'arrête jamais : après un don de sang, la moelle remplace discrètement les globules rouges perdus en quatre à six semaines environ. Vous êtes, au sens propre, reconstruit de l'intérieur en permanence.

Quatre types de tissus

Observez de près n'importe quel organe et vous y trouverez les mêmes quatre matériaux, mélangés en proportions variables. Un tissu est un ensemble de cellules semblables, avec la substance qui les entoure, qui accomplissent ensemble une même tâche. L'anatomiste français Xavier Bichat, travaillant dans les années 1790 presque sans microscope, séparait les organes en les faisant bouillir, sécher ou macérer, et distingua 21 sortes de tissus ; le mot évoque une étoffe tissée. Les microscopes ont ensuite ramené sa liste à quatre.

Le tissu épithélial recouvre et tapisse. Il forme la couche externe de la peau, la muqueuse du tube digestif et des voies respiratoires, et la paroi des glandes. Ses cellules sont serrées en nappes, ancrées sur un mince tapis, la membrane basale, sans vaisseaux sanguins propres : elles sont nourries par diffusion depuis les couches inférieures. Leur forme trahit leur rôle : cellules pavimenteuses aplaties pour les barrières fines comme les alvéoles pulmonaires, cellules cubiques dans les tubules du rein, cellules cylindriques hautes dans l'intestin. Soumis à une usure constante, l'épithélium se renouvelle vite : la couche externe de la peau se remplace en un mois environ.

Le tissu conjonctif assure la cohésion du corps et se définit moins par ses cellules que par ce qui les sépare, la matrice extracellulaire. Changez la matrice et vous changez le tissu : des fibres de collagène résistantes font les tendons, un gel élastique le cartilage, des cristaux minéraux l'os, et une matrice liquide le sang. La graisse est elle aussi un tissu conjonctif.

Le tissu musculaire se contracte. Le muscle squelettique, strié au microscope, meut les os sous contrôle volontaire. Le muscle cardiaque, lui aussi strié, n'existe que dans le cœur et bat sans commande consciente. Le muscle lisse, sans stries, comprime l'intestin, la vessie et la paroi des vaisseaux. Le tissu nerveux transmet des signaux : les neurones envoient des influx électriques, jusqu'à environ 120 mètres par seconde dans les fibres les plus rapides, tandis que les cellules gliales les nourrissent, les isolent et les protègent.

Le saviez-vous ? Le sang est un tissu conjonctif : ses cellules flottent dans une matrice liquide, le plasma, qui représente un peu plus de la moitié de son volume.

Ces quatre familles éclairent aussi bien des maladies. Quelque 80 à 90 % des cancers naissent dans l'épithélium, le tissu qui se divise le plus activement, et sont appelés carcinomes ; les cancers du tissu conjonctif, bien plus rares, sont des sarcomes. Les petites blessures révèlent aussi les couches. Une ampoule est du liquide accumulé dans l'épithélium de la peau ; une écorchure qui saigne a franchi la barrière jusqu'au tissu conjonctif, où passent les vaisseaux ; une coupure de papier pique parce qu'elle atteint les terminaisons nerveuses. Disposez autrement ces quatre étoffes et vous obtenez une lèvre, un tendon ou un foie.

Organes et systèmes

Le corps est organisé comme une série de poupées gigognes. Les atomes s'assemblent en molécules, les molécules construisent les cellules, des cellules semblables forment des tissus, les tissus se combinent en organes, et les organes coopèrent au sein de systèmes d'organes. Un organe est une structure distincte, faite d'au moins deux sortes de tissus, qui remplit une tâche précise. L'estomac en est un bon exemple : l'épithélium le tapisse et sécrète l'acide, le muscle lisse brasse son contenu, le tissu conjonctif relie les couches et porte les vaisseaux, et les nerfs coordonnent l'ensemble.

Les anatomistes regroupent d'ordinaire les organes en 11 systèmes. Le système tégumentaire (peau, poils et ongles) forme la barrière extérieure. Les systèmes squelettique et musculaire donnent forme et mouvement. Les systèmes nerveux et endocrinien sont les deux réseaux de commande, l'un rapide et électrique, l'autre plus lent et chimique. Le système cardiovasculaire fait circuler le sang ; le système lymphatique et immunitaire draine les liquides et combat les infections ; le système respiratoire échange les gaz ; le système digestif décompose les aliments ; le système urinaire filtre le sang et élimine les déchets ; et le système reproducteur prépare la génération suivante.

Le nombre d'organes dépend de qui compte. On cite souvent le chiffre de 78, mais les listes varient beaucoup selon que l'on compte séparément chaque os, chaque glande ou chaque muscle. La définition elle-même bouge : en 2016, le chirurgien J. Calvin Coffey et ses collègues ont soutenu que le mésentère, le repli de tissu qui arrime les intestins, est un organe unique et continu, une vision désormais largement admise. Le plus grand organe de tous est la peau ; le plus grand organe interne, le foie.

Le saviez-vous ? On peut vivre sans un nombre étonnant d'organes, dont la rate, la vésicule biliaire, l'appendice, un rein, un poumon et une grande partie du foie et des intestins.

Les systèmes travaillent rarement seuls. Courez après un bus : votre système nerveux active les muscles, qui tirent sur le squelette ; le système endocrinien libère de l'adrénaline ; le cœur et les poumons accélèrent pour livrer l'oxygène ; la peau transpire pour évacuer la chaleur. Certains organes ont même une double appartenance : le pancréas relève à la fois du système digestif et du système endocrinien.

Cette interdépendance explique pourquoi une défaillance se propage. L'insuffisance rénale dérègle la pression artérielle et l'équilibre des sels ; un cœur défaillant laisse le liquide stagner dans les poumons et les jambes. Elle explique aussi pourquoi remplacer un organe parut longtemps impensable. En 1954, à Boston, le chirurgien Joseph Murray greffe un rein de Ronald Herrick à son jumeau identique, Richard, qui vivra encore huit ans ; Murray recevra plus tard le prix Nobel. Aujourd'hui, reins, foies, cœurs et poumons sont greffés couramment dans le monde entier. La leçon du plan du corps est simple : aucun organe n'est une île.

De quoi sommes-nous faits ?

Réduisez un corps humain à ses éléments chimiques et la liste est courte. En masse, il contient environ 65 % d'oxygène, 18 % de carbone, 10 % d'hydrogène et 3 % d'azote. Ajoutez le calcium, environ 1,5 %, et le phosphore, environ 1 %, et ces six éléments représentent à peu près 99 % de vous. Le potassium, le soufre, le sodium, le chlore et le magnésium constituent l'essentiel du reste, bien moins de 1 % à eux tous.

L'oxygène arrive en tête surtout à cause de l'eau. L'eau représente environ 60 % du poids d'un adulte, soit quelque 42 litres chez un homme de 70 kilogrammes, et une molécule d'eau est composée d'oxygène à près des neuf dixièmes de son poids. Comptez les atomes au lieu de les peser, et l'ordre change : l'hydrogène, l'élément le plus léger, forme environ 62 % de tous les atomes du corps, l'oxygène environ 24 % et le carbone environ 12 %. Une personne de 70 kilogrammes contient à peu près 7 milliards de milliards de milliards d'atomes.

Le carbone est la vedette de la structure. Chaque atome de carbone peut se lier à quatre autres à la fois, formant les longues chaînes et les cycles des protéines, des graisses, des sucres et de l'ADN. Regroupé par molécules, un adulte type compte environ 60 % d'eau, 15 à 17 % de protéines, une part de graisse très variable, environ 6 % de minéraux, surtout dans les os, et seulement 1 % environ de glucides, stockés sous forme de glycogène dans le foie et les muscles.

Le saviez-vous ? Quand on perd de la graisse, la plus grande partie quitte le corps sous forme de dioxyde de carbone expiré ; un calcul publié en 2014 a montré que les poumons en évacuent environ 84 %.

Certains éléments comptent bien plus que leur poids. Un adulte ne possède qu'environ 4 grammes de fer, surtout dans l'hémoglobine, où il fixe l'oxygène ; une carence provoque une anémie. La thyroïde a besoin d'iode, environ 15 à 20 milligrammes dans tout le corps, pour fabriquer ses hormones, et faute d'apport suffisant la glande peut gonfler en goitre. Le zinc, le cuivre, le sélénium et quelques autres sont nécessaires à l'état de traces, souvent comme pièces actives des enzymes.

Le chimiste français Antoine Lavoisier fut l'un des premiers à voir le corps en ces termes. Au début des années 1780, avec Pierre-Simon de Laplace, il mesure la chaleur dégagée par un cochon d'Inde placé dans un calorimètre à glace et conclut que la respiration est une combustion lente, qui brûle le carbone avec l'oxygène. Presque chaque atome de cette chimie a un passé cosmique. L'hydrogène date du Big Bang ; le carbone, l'oxygène, le calcium et le fer ont été forgés au cœur des étoiles et dispersés à leur mort. Comme le disait Carl Sagan, « nous sommes faits de poussière d'étoiles ». Chaque respiration, chaque repas est un échange des plus anciens matériaux de l'univers.

L'homéostasie : garder l'équilibre

Dehors, le temps peut passer du gel à la canicule ; dedans, votre température centrale reste à un degré près de 37 °C. Cette stabilité, c'est l'homéostasie, la capacité du corps à maintenir ses conditions internes dans des limites étroites, quoi qu'il se passe autour. La température en est l'exemple le plus familier, mais il en va de même pour la glycémie, qui se situe normalement autour de 4 à 6 millimoles par litre entre les repas, pour l'acidité du sang, maintenue entre pH 7,35 et 7,45, et pour l'eau, le sel, l'oxygène et le dioxyde de carbone.

L'essentiel de ce contrôle repose sur la rétroaction négative, le principe du thermostat domestique. Chaque boucle comprend trois éléments. Des capteurs détectent un changement : des terminaisons nerveuses de la peau et des cellules du cerveau sensibles à la température surveillent la chaleur. Un centre de contrôle compare la mesure à une valeur de consigne ; pour la température, c'est l'hypothalamus, une région de la taille d'une amande à la base du cerveau. Des effecteurs agissent alors pour inverser le changement, et la réponse s'éteint à mesure que les conditions reviennent à la normale.

Quand vous avez trop chaud, l'hypothalamus ordonne aux vaisseaux de la peau de se dilater, afin que le sang chaud perde sa chaleur en surface : c'est pourquoi un visage échauffé rougit. Il déclenche aussi les glandes sudoripares ; la sueur qui s'évapore emporte la chaleur, et par temps chaud on peut transpirer plus d'un litre par heure. Quand vous avez froid, les vaisseaux cutanés se resserrent, gardant le sang chaud au centre et laissant les doigts pâles, et les muscles se mettent à frissonner, produisant de la chaleur par de petites contractions rapides. De minuscules muscles à la base des poils se contractent aussi et donnent la chair de poule, vestige d'ancêtres plus velus chez qui les poils dressés retenaient une couche d'air isolante.

Le saviez-vous ? Le fameux 37 °C vient de Carl Wunderlich, qui publia en 1868 des moyennes tirées d'environ un million de mesures sous l'aisselle ; les mesures modernes situent la valeur typique un peu plus bas, vers 36,6 à 36,8 °C.

L'idée a des racines françaises. Dès les années 1850, le physiologiste Claude Bernard soutient que la fixité du milieu intérieur est la condition d'une vie libre et indépendante. En 1926, le physiologiste américain Walter Cannon forge le mot « homéostasie », qu'il développe dans son livre La Sagesse du corps en 1932. Toutes les boucles ne sont pas négatives. Pendant l'accouchement, les contractions déclenchent la libération d'une hormone, l'ocytocine, qui renforce à son tour les contractions : une boucle de rétroaction positive qui se poursuit jusqu'à la naissance du bébé.

Quand l'homéostasie est débordée, les conséquences peuvent être graves. Une température centrale supérieure à environ 40 °C peut provoquer un coup de chaleur, et en dessous de 35 °C on parle d'hypothermie. Le diabète est, au fond, une défaillance du contrôle de la glycémie. La prochaine fois que vous frissonnerez à un arrêt de bus, souvenez-vous que ce n'est pas de la faiblesse mais un thermostat au travail, qui vous maintient en vie à quelques degrés près.

Le squelette

Retirez tout ce qui est mou, et il reste environ 206 os, une charpente qui pèse à peu près 15 % du corps. Il s'agit en réalité de deux squelettes en un. Le squelette axial, colonne centrale formée du crâne, du rachis, des côtes et du sternum, compte 80 os et protège le cerveau, la moelle épinière, le cœur et les poumons. Le squelette appendiculaire, soit 126 os répartis dans les membres et les ceintures qui les rattachent au tronc, assure l'essentiel du mouvement. Fait remarquable, plus de la moitié de nos os, 106 au total, se trouvent dans les mains et les pieds.

Un squelette fonctionne comme un système de leviers. Les os sont des barres rigides, les articulations des pivots, et les muscles, ancrés par les tendons, tirent de part et d'autre. Le fémur, l'os de la cuisse, est le plus long et le plus robuste, environ un quart de la taille d'une personne ; l'étrier, dans l'oreille moyenne, est le plus petit avec ses 3 millimètres. La clavicule écarte l'épaule de la cage thoracique comme un étai, ce qui explique qu'elle figure parmi les os les plus souvent fracturés lors d'une chute sur la main tendue.

La charpente est aussi un entrepôt et une usine. Environ 99 % du calcium de l'organisme est stocké dans l'os et libéré quand le sang en manque, et la moelle rouge des hanches, des côtes, du sternum et des vertèbres fabrique les cellules sanguines. Le nombre d'os n'est d'ailleurs pas figé. Un nouveau-né possède près de 300 pièces osseuses, souvent encore en partie cartilagineuses, qui fusionnent pendant l'enfance ; les derniers cartilages de croissance se ferment au début de la vingtaine.

Le saviez-vous ? L'os hyoïde, petit os en forme de U situé dans le cou et qui sert d'ancrage à la langue, est le seul os du corps qui ne s'articule avec aucun autre.

Pendant quelque 1 300 ans, l'anatomie européenne a suivi Galien, médecin grec installé à Rome, dont les descriptions reposaient surtout sur la dissection de singes et d'autres animaux. En 1543, André Vésale, qui enseignait à Padoue, publia la De humani corporis fabrica, illustrée de superbes gravures sur bois tirées de dissections humaines. L'ouvrage corrigeait des dizaines d'erreurs, dont l'affirmation de Galien selon laquelle la mâchoire inférieure humaine serait faite de deux os.

Parce que l'os est un tissu vivant, il réagit à l'usage qu'on en fait. Marcher, courir ou porter des charges le densifie ; un long alitement ou un séjour dans l'espace l'amincit. Dans l'ostéoporose, fréquente avec l'âge et surtout chez les femmes après la ménopause, l'os se perd plus vite qu'il ne se reconstruit, si bien qu'un poignet, une hanche ou une vertèbre peut céder après une chute banale. Le squelette d'une vitrine de musée paraît sec et achevé. Celui que vous portez se reconstruit en silence, pièce par pièce, toute la vie.

L'intérieur d'un os

Coupez un os long comme le fémur en son milieu : il ressemble moins à une tige pleine qu'à un tuyau. Une enveloppe résistante, le périoste, riche en nerfs et en vaisseaux, le recouvre, ce qui explique pourquoi un coup sur le tibia fait si mal. Dessous se trouve une paroi dense d'os compact, épaisse de plusieurs millimètres, et au centre la cavité médullaire, remplie chez l'adulte de moelle jaune graisseuse. Vers les extrémités, la paroi s'amincit et l'intérieur se remplit d'os spongieux, un nid d'abeilles de fines travées.

L'os est un matériau composite, un peu comme le béton armé. Environ deux tiers de son poids sont minéraux : des cristaux de phosphate de calcium, l'hydroxyapatite, qui résistent à l'écrasement. L'essentiel du tiers restant est du collagène, une protéine fibreuse qui résiste à la flexion et à la rupture. Laissez un os de poulet quelques jours dans du vinaigre pour dissoudre le minéral et il plie comme du caoutchouc ; chauffez-le assez pour détruire le collagène et il s'effrite.

L'os compact est constitué de millions d'ostéons, de minuscules cylindres d'environ 0,2 millimètre de diamètre, faits d'anneaux concentriques autour d'un canal central qui contient vaisseaux et nerfs. Le médecin anglais Clopton Havers décrivit ces canaux en 1691, et ils portent toujours son nom. Entre les anneaux, dans de petites logettes, vivent les ostéocytes, des cellules osseuses mûres reliées entre elles par des canalicules plus fins qu'un cheveu, qui perçoivent les contraintes. L'os compact représente environ 80 % de la masse du squelette ; l'os spongieux, léger mais renforcé selon les lignes de force, le reste.

L'os n'est jamais terminé. Deux équipes cellulaires y travaillent sans relâche. Les ostéoclastes, grandes cellules à plusieurs noyaux, dissolvent l'os ancien à l'aide d'acide et d'enzymes ; les ostéoblastes passent derrière et déposent du collagène neuf qui se minéralise. Grâce à ce remodelage, un adulte renouvelle environ un dixième de son squelette chaque année. En 1892, le chirurgien allemand Julius Wolff soutint que l'os s'adapte aux charges qu'il subit, principe aujourd'hui appelé loi de Wolff : le bras qui tient la raquette d'un joueur de tennis professionnel a un os nettement plus épais que l'autre.

Le saviez-vous ? La moelle rouge, présente chez l'adulte surtout dans les os plats et les extrémités des os longs, produit environ deux millions de globules rouges chaque seconde.

Quand l'équilibre se rompt, les ennuis commencent. En apesanteur, les astronautes peuvent perdre environ 1 % de l'os de leurs hanches par mois, et l'ostéoporose est la version lente de ce même déséquilibre sur Terre. Une fracture, à l'inverse, montre le système sous son meilleur jour : un caillot se forme, un cal cartilagineux comble l'écart, de l'os dur le remplace et le remodelage lisse la soudure en quelques mois. Peu de matériaux conçus par des ingénieurs savent se réparer. L'os le fait en routine.

Le crâne

Le crâne réunit un casque, un visage et une paire de mâchoires. On lui compte habituellement 22 os, répartis entre le neurocrâne, huit os formant une voûte autour du cerveau, et quatorze os de la face qui encadrent les yeux, le nez et la bouche. La voûte comprend l'os frontal, deux pariétaux qui forment le toit et les côtés, deux temporaux au niveau des tempes, l'occipital à l'arrière, et deux os moins visibles, le sphénoïde et l'ethmoïde, dans le plancher. Un seul os bouge librement : la mandibule, ou mâchoire inférieure.

Les os de la voûte se rejoignent par des lignes sinueuses, les sutures, des articulations de tissu fibreux solide qui s'emboîtent comme les pièces d'un puzzle. À la naissance elles sont encore lâches, et les espaces où plusieurs os se rencontrent sont fermés par une membrane : les fontanelles. Cette souplesse permet au crâne de se mouler légèrement lors du passage dans la filière génitale et laisse la place à un cerveau qui fait plus que doubler de volume la première année. La grande fontanelle antérieure se ferme en général entre 18 mois et deux ans.

Le crâne adulte renferme environ 1 300 centimètres cubes, de quoi loger un cerveau de 1,3 à 1,4 kilogramme baignant dans un liquide. À la base, un large orifice, le foramen magnum ou trou occipital, laisse descendre la moelle épinière, et des dizaines d'orifices plus petits livrent passage aux nerfs et aux vaisseaux. Des cavités remplies d'air, les sinus, allègent les os de la face et donnent de la résonance à la voix. La mâchoire pivote et glisse au niveau de l'articulation temporo-mandibulaire, juste devant chaque oreille : posez-y les doigts et ouvrez la bouche pour la sentir avancer. Actionnées par le masséter, l'un des muscles les plus puissants pour sa taille, les molaires peuvent mordre avec une force de plusieurs centaines de newtons.

Le saviez-vous ? L'os temporal, qui abrite les délicats organes de l'audition et de l'équilibre, contient l'os le plus dense du corps, le rocher, dont le nom dit bien la dureté.

Au début du XIXe siècle, le médecin allemand Franz Joseph Gall popularisa la phrénologie, selon laquelle les bosses du crâne révéleraient le caractère et les talents. C'était faux : la forme extérieure du crâne ne dit presque rien du cerveau qu'il contient, et des expériences avaient discrédité l'idée chez les savants dès le milieu du siècle. L'intuition de Gall selon laquelle différentes régions du cerveau ont des fonctions différentes s'est pourtant révélée assez juste : une bonne idée cachée dans une mauvaise.

Les traumatismes du crâne comptent surtout pour ce qu'il protège. Un choc peut contusionner le cerveau ou provoquer un saignement même sans fracture, d'où des casques conçus pour répartir et amortir l'impact. Dans la craniosténose, une ou plusieurs sutures se ferment trop tôt chez le nourrisson et déforment la tête en croissance ; les chirurgiens peuvent les libérer. Au quotidien, le crâne se rappelle à nous plus discrètement : le claquement d'une mâchoire, la pression d'un sinus bouché pendant un rhume. Mince, léger et d'une solidité extraordinaire, c'est la pièce la mieux défendue du corps.

La colonne vertébrale

La colonne vertébrale, ou rachis, commence par un empilement de 33 vertèbres. Sept vertèbres cervicales forment le cou, douze vertèbres thoraciques portent les côtes et cinq grosses vertèbres lombaires supportent le poids du bas du dos. En dessous, cinq vertèbres fusionnent pour former le sacrum, coincé entre les os iliaques, et trois à cinq minuscules vertèbres fusionnent en coccyx. Il reste donc 24 vertèbres mobiles chez l'adulte, dans une colonne d'environ 70 centimètres.

Chaque vertèbre comporte deux parties principales. À l'avant, le corps vertébral, court cylindre d'os spongieux, porte la charge ; les corps grossissent vers le bas, car chacun supporte plus de poids que celui du dessus. À l'arrière, l'arc vertébral délimite un anneau, et l'empilement de ces anneaux forme le canal rachidien qui abrite la moelle épinière. Des saillies osseuses latérales et postérieures servent d'ancrage aux muscles ; la rangée de bosses que l'on sent au milieu du dos est celle des apophyses épineuses. Entre les corps se logent 23 disques intervertébraux, faits d'un anneau fibreux résistant autour d'un noyau gélatineux, le nucleus pulposus.

Vue de profil, une colonne saine n'est pas droite mais dessine un double S. Le cou et le bas du dos se creusent vers l'avant, le thorax et le sacrum s'arrondissent vers l'arrière. Chez le nouveau-né, la colonne forme un simple C ; la courbure du cou apparaît quand le bébé apprend à tenir sa tête, celle des lombes quand il apprend à se tenir debout et à marcher. Ces courbures agissent comme un ressort, absorbant les chocs et équilibrant la tête au-dessus des hanches sans grand effort musculaire. En haut, les deux premières vertèbres sont spécialisées : l'atlas permet de hocher la tête, et l'axis, avec sa dent autour de laquelle pivote l'atlas, de la tourner pour dire non.

Les disques sont surtout faits d'eau et se comportent comme des éponges. Au fil d'une journée passée debout, ils expulsent lentement du liquide, si bien que la plupart d'entre nous mesurent environ un centimètre de moins au coucher qu'au réveil, et le récupèrent pendant la nuit. Libérés de la pesanteur, les astronautes peuvent gagner jusqu'à 5 centimètres en orbite, souvent avec des douleurs dorsales en prime.

Le saviez-vous ? Une girafe a autant de vertèbres cervicales que vous : sept. Presque tous les mammifères en ont sept ; celles de la girafe sont simplement bien plus longues.

La moelle épinière est plus courte que la colonne et s'arrête vers la première ou la deuxième vertèbre lombaire, prolongée par un faisceau de racines nerveuses. C'est pourquoi on peut introduire une aiguille dans le bas du dos pour prélever du liquide céphalorachidien, technique introduite par le médecin allemand Heinrich Quincke en 1891. Quand quelque chose se dérègle, la cause est souvent mécanique. L'anneau d'un disque peut se fissurer et laisser le noyau faire saillie contre une racine nerveuse : c'est la hernie discale, qui peut irradier dans la jambe. La scoliose est une déviation latérale, apparaissant souvent à l'adolescence, et le mal de dos est l'une des plaintes les plus courantes de l'âge adulte. À la fois souple, porteuse et protectrice, la colonne est un compromis qui fonctionne la plupart du temps.

Les articulations

Partout où deux os se rencontrent se trouve une articulation, et le corps adulte en compte entre 250 et 350 selon la façon de les dénombrer. Les anatomistes les classent d'après ce qui unit les os. Les articulations fibreuses, comme les sutures du crâne, sont liées par un tissu dense et ne bougent presque pas. Les articulations cartilagineuses, comme les disques intervertébraux ou la symphyse pubienne à l'avant du bassin, autorisent un léger jeu. Celles auxquelles on pense d'ordinaire, genoux, hanches, phalanges, sont des articulations synoviales, faites pour le mouvement.

Une articulation synoviale est une capsule close. Les extrémités osseuses sont coiffées d'un cartilage articulaire lisse et vitreux, épais de quelques millimètres au genou. Une capsule articulaire fibreuse les entoure, tapissée par la membrane synoviale, qui sécrète le liquide synovial, un fluide glissant à la consistance de blanc d'œuf cru. À chaque mouvement, le cartilage aspire et expulse ce liquide comme une éponge, ce qui lubrifie l'articulation et nourrit le cartilage, dépourvu de vaisseaux sanguins. Résultat : un frottement plus faible que celui de la glace sur la glace.

Les articulations synoviales se présentent sous six formes, chacune autorisant des mouvements différents. Les énarthroses, à la hanche et à l'épaule, pivotent dans toutes les directions. Les charnières, au coude et entre les phalanges, plient dans un seul plan, comme une porte. Une articulation à pivot laisse le radius tourner autour de l'ulna quand on tourne une clé, et permet à la tête de pivoter sur le cou. L'articulation en selle, à la base du pouce, bascule dans deux directions, l'articulation condylienne du poignet autorise flexion et inclinaison latérale, et les articulations planes, entre les petits os du poignet et de la cheville, se contentent de glisser. L'épaule sacrifie la stabilité à l'amplitude : c'est l'articulation la plus mobile du corps et la plus souvent luxée.

Faire craquer ses doigts est aussi une affaire d'articulation. En écartant les os, on fait chuter la pression du liquide synovial jusqu'à ce qu'une cavité gazeuse se forme brusquement, instant filmé par IRM en 2015, et la même articulation ne peut plus craquer pendant une vingtaine de minutes. Le médecin américain Donald Unger fit craquer les doigts de sa main gauche, mais jamais ceux de la droite, pendant une soixantaine d'années, sans trouver d'arthrose d'un côté ni de l'autre : une expérience solitaire qui lui valut un prix Ig Nobel en 2009.

Le saviez-vous ? Monter un escalier impose à chaque genou une charge d'environ trois à quatre fois le poids du corps.

Faute de vaisseaux, le cartilage cicatrise mal. Dans l'arthrose, la plus fréquente des maladies articulaires, il s'use et s'effiloche au fil des ans, l'os sous-jacent s'épaissit, des becs osseux se forment, et l'articulation devient raide et douloureuse. Dans la polyarthrite rhumatoïde, c'est le système immunitaire qui attaque la membrane synoviale. Les hanches et genoux usés sont aujourd'hui couramment remplacés par des prothèses en métal, céramique et plastique, l'un des grands succès de la chirurgie. La plupart du temps, pourtant, nos articulations fonctionnent si bien qu'on ne les remarque que lorsqu'elles grincent.

La main

Chaque main compte 27 os : huit petits os du carpe au poignet, disposés en deux rangées de quatre, cinq métacarpiens dans la paume et quatorze phalanges dans les doigts, trois par doigt et deux pour le pouce. À elles deux, les mains réunissent plus d'un quart des os du corps. Ils sont reliés par des dizaines d'articulations et maintenus par un réseau serré de ligaments, et pourtant chaque doigt peut se plier, se tendre, s'écarter et se refermer sur commande.

Étonnamment, les doigts ne contiennent aucun muscle. Les muscles puissants qui les fléchissent et les étendent se trouvent dans l'avant-bras et tirent sur de longs tendons qui traversent le poignet comme les fils d'une marionnette ; serrez le poing et regardez votre avant-bras se contracter. Côté paume, neuf tendons et le nerf médian se faufilent dans le canal carpien, étroit tunnel formé par les os du carpe et un ligament solide tendu au-dessus. Un gonflement à cet endroit comprime le nerf et provoque le syndrome du canal carpien, avec des fourmillements dans le pouce et les premiers doigts. De petits muscles logés dans la paume, les muscles intrinsèques, assurent les réglages fins, comme l'écartement des doigts.

La clé de la main, c'est le pouce. Son métacarpien rencontre un os du poignet, le trapèze, au niveau d'une articulation en selle, semblable à deux selles posées en croix, qui permet au pouce de traverser la paume pour toucher chaque bout de doigt. Cette opposition rend possibles deux types de prise, décrites en 1956 par l'anatomiste britannique John Napier. Dans la prise de force, les doigts enserrent un objet contre la paume, comme pour tenir un marteau ; dans la prise de précision, pouce et bouts des doigts pincent, comme pour enfiler une aiguille. Les chimpanzés ont eux aussi un pouce opposable, mais il est court par rapport à leurs longs doigts, et leur prise de précision est moins fine.

Piloter une main mobilise beaucoup de cerveau. À partir des années 1930, le neurochirurgien canadien Wilder Penfield, en stimulant doucement le cerveau à nu de patients éveillés pendant des opérations, cartographia les zones commandant chaque partie du corps. La main et les doigts occupaient une bande étonnamment large du cortex moteur, bien plus que le dos ou la cuisse. Certains doigts ne sont pourtant pas tout à fait indépendants. Repliez le majeur contre la paume et essayez de lever l'annulaire : il bouge à peine, car les deux partagent un muscle et leurs tendons extenseurs sont reliés par des bandelettes.

Le saviez-vous ? Les empreintes digitales se forment dans l'utérus entre la dixième et la seizième semaine de grossesse environ, et même de vrais jumeaux ont des empreintes différentes.

Les mains se blessent aussi facilement. Une chute sur la main tendue fracture souvent l'extrémité du radius au poignet, ou le scaphoïde, un os du carpe mal vascularisé qui peut tarder à consolider. L'arthrose apparaît volontiers d'abord à la base du pouce et aux articulations des doigts. Chaque fois que vous boutonnez une chemise ou tapez un message, un avant-bras, un poignet et un écheveau de tendons accomplissent une prouesse qu'aucune main robotique n'a encore tout à fait égalée.

Les pieds et la marche debout

Chaque pied compte 26 os, 33 articulations et plus d'une centaine de muscles, tendons et ligaments. Sept os du tarse forment la cheville et le talon, dont le talus, qui constitue l'articulation de la cheville avec les os de la jambe, et le calcanéus, l'os du talon. Cinq métatarsiens occupent le milieu du pied et quatorze phalanges forment les orteils. Contrairement à celui des grands singes, notre gros orteil est aligné avec les autres : nous avons renoncé à saisir les branches pour mieux pousser contre le sol.

Les os sont disposés en trois arches : une voûte interne haute le long du cou-de-pied, une voûte externe plus basse et une arche transversale sous l'avant-pied. Des ligaments et une épaisse nappe de tissu sous la plante, l'aponévrose plantaire, tendent ces arches comme la corde d'un arc. Quand les orteils se relèvent en fin de pas, l'aponévrose s'enroule autour de l'avant-pied, soulève la voûte et transforme le pied en levier rigide : c'est le mécanisme du treuil, décrit par l'anatomiste J. H. Hicks en 1954. À l'atterrissage, la voûte s'aplatit légèrement et absorbe le choc.

La marche est un cycle qui se répète à chaque pas. Le cycle d'une jambe commence par l'attaque du talon, se poursuit par la phase d'appui pendant laquelle le corps bascule par-dessus le pied posé, et s'achève par le décollement des orteils, quand les mollets poussent depuis l'avant-pied et le gros orteil. Le pied revient alors vers l'avant en l'air. L'appui occupe environ 60 % du cycle et l'oscillation environ 40 %, de sorte qu'à chaque foulée les deux pieds touchent brièvement le sol en même temps. Les biomécaniciens décrivent la marche comme un pendule inversé : le corps monte et descend au-dessus de chaque jambe, échangeant vitesse contre hauteur puis l'inverse, ce qui économise une grande partie de l'énergie.

Les forces en jeu sont considérables. Chaque pas appuie sur le sol avec un peu plus que le poids du corps en marchant, et deux à trois fois ce poids en courant. Balancer les bras à l'opposé des jambes contrebalance la torsion du tronc, ce qui explique l'étrangeté de marcher en avançant bras et jambe du même côté. La plus ancienne preuve directe de la marche debout vient des empreintes de Laetoli, en Tanzanie, laissées dans des cendres volcaniques il y a environ 3,6 millions d'années et mises au jour par l'équipe de Mary Leakey en 1978. On y voit l'attaque du talon et un gros orteil aligné, presque comme chez nous.

Le saviez-vous ? Environ un quart des os du corps se trouvent dans les pieds : 52 sur 206.

Les pieds protestent quand le système est surchargé. L'aponévrosite plantaire, irritation de l'aponévrose à son insertion sur le talon, provoque une douleur vive aux premiers pas du matin. Les pieds plats, dont la voûte interne est basse ou absente, sont fréquents et souvent sans conséquence, tandis que l'hallux valgus dévie le gros orteil vers l'extérieur. La plupart du temps, l'architecture du pied passe inaperçue, portant son propriétaire des milliers de pas par jour sur une plateforme de la taille d'un livre de poche.

La contraction musculaire

Le corps compte plus de 600 muscles squelettiques, qui représentent environ 40 % du poids chez un homme type et un peu moins chez une femme. Chaque muscle est un faisceau de faisceaux. Sous son enveloppe se trouvent des fascicules, et dans chaque fascicule des centaines de fibres musculaires, de longues cellules à plusieurs noyaux qui peuvent mesurer plusieurs centimètres. Chaque fibre est bourrée de myofibrilles, et chaque myofibrille est une chaîne de minuscules unités répétées, les sarcomères, longs d'environ 2,5 millièmes de millimètre. C'est là que naît vraiment le mouvement.

Au microscope, le muscle squelettique paraît strié. Les stries correspondent au chevauchement de deux protéines : de fins filaments d'actine, ancrés aux extrémités de chaque sarcomère, les stries Z, et d'épais filaments de myosine au centre, hérissés de petites têtes. Lors de la contraction, aucun filament ne raccourcit. Les têtes de myosine tirent les filaments d'actine vers l'intérieur, si bien que les deux glissent l'un sur l'autre et que les stries Z se rapprochent. Cette théorie des filaments glissants fut publiée en 1954 par deux duos travaillant indépendamment : Andrew Huxley et Rolf Niedergerke, d'une part, Hugh Huxley et Jean Hanson, d'autre part.

Tout commence par un nerf. Un motoneurone libère un messager chimique, l'acétylcholine, là où il rejoint la fibre, déclenchant une onde électrique qui file le long de la membrane et plonge dans la cellule. Ce signal libère le calcium d'une réserve interne, le réticulum sarcoplasmique. Le calcium déplace deux protéines de blocage, la troponine et la tropomyosine, qui masquaient les sites de fixation de l'actine. Les têtes de myosine s'y accrochent, pivotent et tirent l'actine de 5 à 10 nanomètres, soit des millionièmes de millimètre : c'est le coup de rame. Une molécule d'ATP, la monnaie énergétique de la cellule, détache alors chaque tête et la réarme pour la traction suivante. Répétés plusieurs fois par seconde par des milliards de têtes, ces minuscules tractions deviennent un soulèvement ou un bond. Quand le nerf se tait, le calcium est repompé et le muscle se relâche.

Le lien entre électricité et muscle fut montré dans les années 1780 par Luigi Galvani, à Bologne : les pattes de grenouilles disséquées se contractaient au contact du métal. Les muscles ne savent que tirer, jamais pousser ; ils fonctionnent donc par paires opposées, le biceps fléchissant le coude et le triceps l'étendant. La raideur de la rigidité cadavérique est cette même machinerie à l'arrêt : sans ATP, les têtes de myosine restent verrouillées sur l'actine jusqu'à ce que les protéines se dégradent.

Le saviez-vous ? Le plus long muscle du corps est le sartorius, une sangle qui va de la hanche à la face interne du genou ; son nom vient du latin désignant le tailleur, en souvenir de la position en tailleur.

Les choses se gâtent quand un maillon de la chaîne cède. Dans les myopathies, des gènes défectueux fragilisent les fibres, qui se dégradent peu à peu ; dans la myasthénie, le système immunitaire bloque le signal de l'acétylcholine, d'où une faiblesse qui s'aggrave à l'effort. Au quotidien, la limite est surtout le carburant : quand l'ATP ne se renouvelle plus assez vite, la force s'effondre. Chacun de vos mouvements, du clignement d'yeux au sprint, est l'œuvre de milliards de rameurs moléculaires qui tirent en cadence.

Tendons et ligaments

Muscles et os ont besoin de liens. Les tendons relient le muscle à l'os et transmettent la traction de la contraction ; les ligaments relient les os entre eux, maintiennent les articulations et les empêchent d'aller trop loin. Tous deux sont des cordons denses, d'un blanc argenté, faits surtout de collagène, la protéine la plus abondante du corps, organisé en faisceaux parallèles comme les torons d'une corde. Au microscope, les fibres présentent une ondulation qui se déplie à la première mise en tension et offre un peu de jeu avant que le tissu ne se tende.

À section égale, le tendon est d'une résistance redoutable, capable de supporter environ le quart de la contrainte qui rompt l'acier doux. Le tendon d'Achille, qui relie les muscles du mollet à l'os du talon, est le plus épais et le plus solide du corps ; en course, il supporte plusieurs fois le poids du corps à chaque foulée. Il doit son nom au héros grec que sa mère tint par le talon en le plongeant dans le Styx, lui laissant ce seul point vulnérable. Le nom fut forgé par l'anatomiste flamand Philippe Verheyen en 1693.

Les tendons ne sont pas que des câbles, ce sont aussi des ressorts. Étiré à l'atterrissage du pied, le tendon d'Achille emmagasine de l'énergie élastique et en restitue une bonne partie à la poussée, principe étudié par le zoologiste britannique R. McNeill Alexander, qui montra comment kangourous et coureurs humains rebondissent sur leurs tendons. Les ligaments, eux, sont faits pour retenir. Le genou les montre à l'œuvre. Deux ligaments croisés se croisent dans l'articulation, l'antérieur empêchant le tibia de glisser vers l'avant, le postérieur l'empêchant de glisser vers l'arrière, tandis que deux ligaments collatéraux renforcent les faces interne et externe. Entre les os, deux coussinets de cartilage en croissant, les ménisques, répartissent la charge.

Ces deux tissus sont mal vascularisés, ce qui leur donne leur teinte pâle et les rend lents à cicatriser ; une blessure sérieuse peut demander de longs mois. Une entorse est un ligament étiré ou déchiré, le plus souvent à la face externe de la cheville quand le pied se tord vers l'intérieur. Le ligament croisé antérieur se rompt fréquemment dans les sports à pivots et réceptions brusques, et les sportives sont plusieurs fois plus exposées que les sportifs dans les mêmes disciplines. Une surcharge répétée peut aussi enflammer ou user un tendon, comme dans l'épicondylite, ou tennis-elbow, qui touche le tendon de la face externe du coude et frappe bien plus souvent des gens qui ne jouent jamais au tennis.

Le saviez-vous ? Personne n'a vraiment d'articulations doubles. Ceux qui peuvent replier le pouce jusqu'au poignet ont des articulations ordinaires et des ligaments particulièrement extensibles, ce qu'on appelle l'hyperlaxité.

Tendons et ligaments reçoivent rarement des éloges quand tout va bien. Pourtant chaque saut, chaque descente d'escalier au petit trot et chaque pas d'une longue marche comptent sur eux pour transmettre la force, stocker l'énergie et empêcher les articulations de se disloquer. Ce sont les haubans du corps, et comme ceux d'un navire, on ne les remarque guère que lorsqu'ils cassent.

Force, vitesse et endurance

Les muscles ne se ressemblent pas tous, car chacun mêle plusieurs types de fibres. Les fibres de type I, dites lentes, se contractent assez lentement mais sans se lasser. Elles regorgent de mitochondries, les centrales énergétiques de la cellule, et de myoglobine, une protéine rouge qui stocke l'oxygène, d'où leur couleur sombre. Les fibres de type II, dites rapides, se contractent plusieurs fois plus vite et plus fort mais s'épuisent vite ; le sous-type IIa garde une certaine endurance, tandis que le IIx est taillé pour la puissance pure. Un poulet rôti montre la différence : la viande brune vient des cuisses, sollicitées toute la journée, la blanche des muscles du bréchet, utilisés par brèves salves.

Chez la plupart des gens, les muscles de la cuisse comptent à peu près moitié de fibres lentes et moitié de rapides, mais la proportion varie. Des biopsies de marathoniens d'élite ont révélé des mollets à environ 80 % de fibres lentes, alors que les meilleurs sprinteurs penchent dans l'autre sens. Ces proportions sont en grande partie héritées, même si l'entraînement peut faire basculer des fibres entre les sous-types rapides et les rendre toutes plus performantes.

Chaque contraction consomme de l'ATP, mais un muscle n'en stocke que pour une ou deux secondes d'effort intense ; il faut donc le régénérer sans cesse. Trois filières s'en chargent, à des vitesses différentes et en se chevauchant. Pendant les premières secondes, une réserve de phosphocréatine recharge l'ATP presque instantanément ; elle alimente un 100 mètres et s'épuise en une dizaine de secondes. Vient ensuite la glycolyse anaérobie, qui dégrade le glucose sans oxygène, vite mais de façon limitée, en produisant du lactate ; elle domine les efforts de une à deux minutes, comme un 400 mètres. Au-delà, le métabolisme aérobie des mitochondries brûle sucres et graisses avec de l'oxygène, lentement mais presque sans limite, et fait courir le marathonien. En une journée, l'organisme recycle à peu près son propre poids en ATP.

Une grande partie de ces mécanismes fut élucidée par le physiologiste britannique A. V. Hill, colauréat du prix Nobel en 1922 pour avoir mesuré la chaleur produite par les muscles et décrit la dette d'oxygène des coureurs. Une idée reçue n'a pas survécu : l'acide lactique ne cause pas les courbatures ressenties un ou deux jours après un effort intense. Elles viennent de lésions microscopiques des fibres et de la réparation qui suit ; le lactate, lui, est éliminé en une heure environ et sert même de carburant.

Le saviez-vous ? La force d'un muscle dépend surtout de sa section et non de sa longueur, c'est pourquoi un muscle entraîné s'épaissit au lieu de s'allonger.

L'entraînement façonne le muscle selon la tâche. Durant les premières semaines de musculation, l'essentiel des gains est nerveux, le système nerveux apprenant à recruter davantage de fibres à la fois ; ensuite seulement les fibres s'épaississent. L'entraînement d'endurance multiplie plutôt les mitochondries et les capillaires. Les extrêmes impressionnent : Usain Bolt a atteint environ 44 kilomètres à l'heure lors de son 100 mètres en 9,58 secondes en 2009, et Kelvin Kiptum a couru un marathon en 2 heures 0 minute 35 secondes en 2023. À partir de l'âge mûr, le muscle décline lentement, c'est la sarcopénie, mais il répond à l'entraînement à tout âge. Force, vitesse et endurance ne sont pas trois dons, mais un seul tissu réglé de trois façons.

Le cœur

Posez deux doigts juste à gauche du sternum et vous le sentez : le cœur, un muscle creux de la taille d'un poing fermé, qui pèse environ 250 à 350 grammes chez l'adulte. Il loge au milieu de la poitrine, entre les deux poumons, enveloppé d'un sac solide à double paroi, le péricarde, sa pointe inférieure, l'apex, orientée vers le bas et la gauche. Ses parois sont faites de muscle cardiaque, un tissu qu'on ne trouve nulle part ailleurs : ses cellules ramifiées, soudées bout à bout, ne se fatiguent jamais comme les jambes d'un sprinteur.

À l'intérieur, une cloison, le septum, partage le cœur en deux pompes accolées. Chaque côté possède en haut une cavité de réception à paroi mince, l'oreillette, et en bas une cavité de propulsion à paroi épaisse, le ventricule. Le cœur droit reçoit le sang usé du corps par les deux veines caves et l'envoie, tout près, vers les poumons. Le cœur gauche reçoit le sang frais venu des poumons et le chasse dans l'aorte, vers tout le reste. Ce second trajet étant bien plus long, la paroi du ventricule gauche mesure environ un centimètre d'épaisseur, à peu près trois fois celle du droit.

Quatre valves imposent un sens unique. La valve tricuspide et la valve mitrale gardent le passage des oreillettes vers les ventricules, retenues par de fins cordages comme les suspentes d'un parachute ; les valves pulmonaire et aortique ferment les sorties. Le fameux « poum-tac » n'est pas le bruit du muscle mais celui des valves qui claquent : d'abord celles d'entrée, puis celles de sortie. Au repos, le cœur fait circuler environ cinq litres de sang par minute, quelque 7 000 litres par jour, et bat près de 100 000 fois d'un petit déjeuner au suivant.

Le saviez-vous ? Les cellules du muscle cardiaque se renouvellent très lentement : des études de datation au carbone suggèrent qu'environ 1 % sont remplacées chaque année chez le jeune adulte, et moins encore avec l'âge.

Pendant des siècles, on a cru que le cœur réchauffait le sang plutôt qu'il ne le pompait. Le médecin arabe Ibn al-Nafis décrit dès le XIIIe siècle le passage du sang par les poumons, et en 1628 le médecin anglais William Harvey publie De motu cordis : par un calcul rigoureux, il montre que le cœur pompe en une heure bien plus de sang que le corps ne pourrait en fabriquer. C'est donc le même sang qui tourne en boucle.

Le cœur se sert en premier, grâce aux artères coronaires qui le couronnent. Si l'une d'elles se bouche, le muscle situé en aval manque d'oxygène : c'est l'infarctus. Une valve abîmée peut fuir ou se rigidifier et produire un bruit de souffle que le médecin entend au stéthoscope. Au cours d'une longue vie, le cœur battra environ trois milliards de fois sans prendre un seul jour de congé.

Le battement cardiaque

Chaque battement commence par une étincelle grande comme un grain de riz. Dans la paroi de l'oreillette droite se trouve le nœud sinusal, un petit amas de cellules musculaires spécialisées qui se déchargent d'elles-mêmes, sans aucun ordre du cerveau. Leur membrane laisse lentement entrer des ions positifs jusqu'à un seuil, puis se décharge, se réinitialise et recommence. Au repos, ce stimulateur naturel bat environ 60 à 100 fois par minute chez la plupart des adultes, et chaque décharge devient un battement.

L'onde électrique balaie les deux oreillettes en un dixième de seconde environ ; elles se contractent et achèvent de remplir les ventricules. Puis l'onde bute sur un anneau de tissu isolant entre les étages du cœur. Le seul passage est le nœud auriculo-ventriculaire, qui retient le signal environ un dixième de seconde, juste le temps que les ventricules se remplissent. L'influx dévale ensuite le faisceau de His dans le septum, se divise en branches droite et gauche et se répand dans les fibres de Purkinje des parois ventriculaires. Les ventricules se contractent de la pointe vers le haut, comme on presse un tube de dentifrice par le fond.

Le cœur fixe son propre rythme, mais le système nerveux peut tourner le bouton. Le nerf vague ralentit le stimulateur, tandis que l'adrénaline et les nerfs sympathiques l'accélèrent : voilà pourquoi le pouls grimpe quand on court après un bus et retombe dans un fauteuil. Un athlète d'endurance peut battre à 40 au repos, car chaque contraction puissante déplace davantage de sang.

Le saviez-vous ? Un cœur greffé arrive les nerfs sectionnés : il bat plus vite que la normale au repos et n'accélère à l'effort qu'à mesure que l'adrénaline lui parvient par le sang.

Les minuscules courants de chaque battement atteignent la peau. En 1903, le physiologiste néerlandais Willem Einthoven les enregistre de façon fiable grâce à un galvanomètre à corde, travail récompensé par le prix Nobel en 1924. Ses lettres figurent toujours sur chaque électrocardiogramme : la petite onde P quand les oreillettes se dépolarisent, le grand complexe QRS quand les ventricules s'activent, l'onde T, plus douce, quand ils récupèrent.

Quand le câblage déraille, le rythme vacille. Dans la fibrillation auriculaire, les oreillettes frémissent de façon chaotique et le pouls devient irrégulier ; dans la fibrillation ventriculaire, les cavités principales tremblent sans rien pomper : c'est l'arrêt cardiaque. Un défibrillateur délivre un choc qui fait taire le chaos pour que le nœud sinusal reprenne la main, et depuis 1958, date du premier stimulateur entièrement implanté en Suède, de petits appareils remplacent les nœuds défaillants. Le battement « sauté » que l'on remarque parfois est le plus souvent une extrasystole sans gravité. Votre section rythmique bat la mesure depuis la sixième semaine environ après la conception.

Artères, veines et capillaires

Mis bout à bout, les vaisseaux sanguins d'un adulte s'étireraient, dit-on souvent, sur quelque 100 000 kilomètres, plus de deux fois le tour de la Terre. Le chiffre n'est qu'une estimation grossière, mais l'idée est juste : presque aucune cellule du corps n'est à plus d'un cheveu d'une voie d'approvisionnement. Le réseau compte trois sortes de vaisseaux, chacune bâtie pour sa tâche.

Les artères emportent le sang loin du cœur, sous haute pression. Leur paroi comporte trois couches : un revêtement interne lisse de cellules plates, l'endothélium ; une épaisse tunique moyenne de muscle lisse et de fibres élastiques ; une gaine externe résistante. L'aorte, la plus grosse, mesure environ 2,5 centimètres de diamètre. Sa paroi élastique se distend à chaque battement et se rétracte entre deux, lissant l'à-coup en un flux régulier ; cette ondulation, c'est le pouls que l'on sent au poignet. Les artères se ramifient en artérioles toujours plus fines, dont la paroi musclée se serre ou se relâche pour diriger le sang là où il faut : vers les joues de qui rougit, vers l'intestin après le déjeuner.

Les artérioles alimentent les capillaires, la véritable raison d'être du système. Chacun ne mesure que 5 à 10 micromètres, si étroit que les globules rouges y passent en file indienne en se pliant, et sa paroi n'a qu'une cellule d'épaisseur. L'oxygène, le glucose et les autres nutriments la traversent vers les tissus, tandis que le dioxyde de carbone et les déchets passent en sens inverse. Le sang y ralentit presque à l'arrêt, ce qui laisse aux échanges le temps de se faire.

Les capillaires confluent en veinules puis en veines, qui ramènent le sang au cœur à basse pression. Leur paroi est plus mince et plus souple, et elles contiennent à tout instant environ les deux tiers du sang. Dans les membres, des valvules en forme de nid de pigeon l'empêchent de redescendre, et la contraction des muscles voisins le pousse vers le haut à chaque mouvement. William Harvey démontre le rôle de ces valvules en 1628 en appuyant sur les veines d'un bras garrotté, et en 1661 Marcello Malpighi, l'œil au microscope sur un poumon de grenouille, découvre les capillaires qui bouclent le circuit de Harvey.

Le saviez-vous ? Le sang des veines n'est pas bleu. Il est toujours rouge, plus sombre quand il est pauvre en oxygène ; les veines paraissent bleues parce que la peau diffuse et absorbe davantage la lumière rouge que la bleue.

Les défaillances sont familières. Des plaques graisseuses peuvent rétrécir les artères : c'est l'athérosclérose. Des valvules usées laissent le sang stagner et distendent les veines des jambes en varices, et un caillot peut se former dans une veine profonde quand la pompe musculaire s'arrête pendant un long vol. C'est aussi pourquoi des soldats immobiles au garde-à-vous s'évanouissent parfois : sans pompe musculaire, le sang s'accumule dans les jambes. Bougez, et vos veines suivront.

Le sang

Un adulte transporte environ cinq litres de sang, soit 7 à 8 % de son poids, et ce sang fait l'aller-retour du cœur aux orteils en une minute environ. On dirait un simple liquide rouge, mais placé dans une centrifugeuse, il se sépare en couches comme un cocktail. En haut, environ 55 % du volume : un liquide jaune paille, le plasma. En bas, environ 45 % : les globules rouges tassés. Entre les deux, une fine pellicule blanchâtre, la couche leuco-plaquettaire, contient les globules blancs et les plaquettes.

Le plasma est composé à plus de 90 % d'eau ; c'est la camionnette de livraison du corps. Il transporte le glucose, les sels, les graisses et les acides aminés venus de l'intestin, les hormones des glandes et des déchets comme l'urée, destinée aux reins. Il contient aussi des protéines : l'albumine, qui retient l'eau dans les vaisseaux, les anticorps de la défense et le fibrinogène, matière première du caillot. Les cellules ont leurs propres missions. Les globules rouges, de loin les plus nombreux, transportent l'oxygène. Les globules blancs, moins d'une cellule sur mille, patrouillent à la recherche d'envahisseurs. Les plaquettes, minuscules fragments de cellules, se tiennent prêtes à colmater les fuites.

Toutes ces cellules naissent dans la moelle osseuse rouge, celle des os plats du bassin, du sternum, des côtes et du crâne et des extrémités des os longs, qui produit environ deux millions de globules rouges par seconde. Un microlitre de sang, une goutte plus petite qu'une tête d'épingle, contient environ cinq millions de globules rouges, quelques milliers de globules blancs et 150 000 à 400 000 plaquettes.

Le saviez-vous ? Le sang est réellement plus épais que l'eau : il est environ trois à cinq fois plus visqueux, surtout à cause de la foule de globules rouges qu'il charrie.

Le sang accomplit aussi un travail plus discret. Il répartit la chaleur des muscles actifs et du foie jusqu'à la peau, et il est maintenu à un pH légèrement alcalin, entre 7,35 et 7,45 ; la moindre dérive perturbe toute la chimie du corps. Le drapier néerlandais Antoni van Leeuwenhoek décrit des « globules » rouges dans ses microscopes artisanaux dans les années 1670, après que Jan Swammerdam les a observés dans le sang de grenouille.

Quand le sang va mal, le trouble se propage partout où il passe. Trop peu de globules rouges ou d'hémoglobine, c'est l'anémie, avec fatigue et essoufflement. Le cancer des cellules sanguines s'appelle leucémie. Un don de sang au Royaume-Uni prélève environ 470 millilitres ; le corps reconstitue le plasma en un ou deux jours et les globules rouges en quelques semaines. C'est la merveille de ce fleuve : il se reconstruit sans cesse, tout en coulant.

Les globules rouges

Les globules rouges sont les cellules les plus nombreuses du corps. Un adulte en possède environ 25 000 milliards, à peu près quatre cellules humaines sur cinq, et chacun ressemble à un minuscule beignet sans trou : un disque biconcave d'environ 7,5 micromètres de diamètre et 2 micromètres d'épaisseur, creusé sur ses deux faces. Cette forme offre une grande surface aux échanges gazeux et permet à la cellule de se plier presque en deux pour franchir des capillaires plus étroits qu'elle. Pour faire place à sa cargaison, le globule rouge des mammifères abandonne en mûrissant son noyau et ses mitochondries. Il ne peut ni se diviser ni se réparer : c'est un sac conçu pour une seule tâche.

Cette cargaison, c'est l'hémoglobine, une protéine contenant du fer, à raison d'environ 270 millions de molécules par cellule. Chaque molécule compte quatre chaînes, et chaque chaîne abrite un groupe hème dont l'atome de fer central peut fixer une molécule d'oxygène : une hémoglobine en porte donc quatre. Chargée d'oxygène dans les poumons, elle devient écarlate ; après l'avoir livré aux tissus, elle vire au rouge sombre. En 1959, le chimiste d'origine autrichienne Max Perutz, à Cambridge, en établit la structure tridimensionnelle par cristallographie aux rayons X après plus de vingt ans d'efforts, ce qui lui vaut de partager le prix Nobel en 1962.

La vie d'un globule rouge dure environ 120 jours. Il naît dans la moelle osseuse rouge, où une hormone sécrétée par les reins, l'érythropoïétine, accélère la production dès que l'oxygène vient à manquer, en altitude par exemple. Au cours de sa vie, il accomplit quelque 170 000 tours du corps. En vieillissant, sa membrane se rigidifie, et la rate et le foie assurent le contrôle qualité : de grandes cellules blanches, les macrophages, avalent les globules usés. Le fer est récupéré et renvoyé à la moelle, tandis que l'hème est dégradé en bilirubine jaune, que le foie évacue dans la bile.

Le saviez-vous ? Les couleurs changeantes d'un bleu sont de l'hémoglobine démontée sur place : violet-bleu, puis vert avec la biliverdine, puis jaune avec la bilirubine.

Les anomalies des globules rouges comptent parmi les maladies les mieux comprises. En 1949, Linus Pauling et ses collègues montrent que la drépanocytose est due à une hémoglobine anormale : c'est la première maladie rattachée à une seule molécule modifiée. Un seul acide aminé changé fait s'agglutiner la protéine quand l'oxygène manque, et les cellules se tordent en croissants rigides qui bouchent les petits vaisseaux. Porter un seul exemplaire du gène protège en partie du paludisme, d'où sa fréquence là où sévit cette maladie. Le manque de fer, première cause d'anémie dans le monde, donne des cellules petites et pâles. Chaque seconde, vous fabriquez environ deux millions de globules rouges et autant partent à la retraite : une chaîne de production discrète, d'une fiabilité extraordinaire.

Les groupes sanguins

Pendant des siècles, la transfusion sanguine a été un pari presque toujours perdu ; certaines expériences des années 1660 utilisaient même du sang d'agneau. L'explication n'arrive qu'en 1901, quand le médecin autrichien Karl Landsteiner, à Vienne, mélange les globules rouges et le sérum de ses collègues et constate que certaines combinaisons s'agglutinent et d'autres non. Il classe les gens en trois groupes, aujourd'hui appelés A, B et O ; un quatrième, AB, est découvert l'année suivante. Cette découverte vaut à Landsteiner le prix Nobel en 1930 et rend la transfusion sûre.

Les groupes reposent sur des antigènes, des drapeaux moléculaires à la surface de chaque globule rouge. Dans le système ABO, ce sont de courtes chaînes de sucres. Les globules du groupe A portent le drapeau A, ceux du groupe B le drapeau B, ceux du groupe AB les deux, et ceux du groupe O aucun. Le piège est dans le plasma. Dès la petite enfance, chacun fabrique des anticorps contre les drapeaux qu'il ne possède pas : une personne du groupe A a des anti-B dans son plasma, le groupe B des anti-A, le groupe O les deux, et le groupe AB aucun. Transfusez les mauvais globules et les anticorps s'y accrochent ; les cellules s'agglutinent et éclatent, ce qui peut provoquer une réaction transfusionnelle grave.

Le second grand système est le rhésus, nommé d'après les singes rhésus utilisés par Landsteiner et Alexander Wiener vers 1940. Les personnes dont les globules portent l'antigène RhD sont « positives » ; les autres sont « négatives », environ 15 % des personnes d'ascendance européenne. Contrairement aux anti-A et anti-B, les anticorps anti-D n'apparaissent qu'après une exposition, par exemple quand une mère rhésus négatif porte un bébé rhésus positif. Lors d'une grossesse suivante, ses anticorps peuvent franchir le placenta et attaquer les globules du bébé, une maladie aujourd'hui largement prévenue par des injections d'anti-D à la mère.

Le saviez-vous ? En 1952, des médecins de Bombay ont découvert le rarissime phénotype Bombay : ces personnes n'ont même pas l'antigène H de base et ne peuvent recevoir que du sang Bombay.

Ces règles expliquent les étiquettes célèbres. Les globules du groupe O négatif ne portent ni A, ni B, ni D : en urgence, on peut les donner à presque tout le monde ; les patients AB positif peuvent recevoir des globules de n'importe quel groupe. Pour le plasma, la logique s'inverse, et le plasma AB devient le don universel. Au Royaume-Uni, près de la moitié des gens sont du groupe O et le groupe AB est le plus rare, environ 3 %, mais les proportions varient selon les régions du monde.

On reconnaît aujourd'hui plus de 40 systèmes de groupes sanguins, et les laboratoires hospitaliers vérifient la compatibilité entre donneur et receveur avant toute transfusion programmée. Une croyance populaire ne résiste pas à l'examen : l'idée, en vogue au Japon, que le groupe sanguin façonne la personnalité n'a aucun fondement scientifique. Votre groupe dit à un inconnu si votre sang peut être partagé sans danger, et rien du tout sur votre compagnie.

La coagulation

Entaillez-vous un doigt avec un couteau de cuisine, et le saignement s'arrête en général en quelques minutes, sans que vous y pensiez. Ce miracle ordinaire s'appelle l'hémostase, l'arrêt du sang, et il exige un dosage très fin : trop faible, une petite plaie devient dangereuse ; trop fort, le sang se fige dans un vaisseau sain. Le corps résout le problème par une réponse rapide qui ne s'allume qu'à l'endroit de la lésion, en plusieurs étapes qui se chevauchent.

D'abord, le vaisseau blessé se resserre. Son muscle lisse se contracte en un spasme vasculaire qui rétrécit l'ouverture et ralentit le flux en quelques secondes. Ensuite arrivent les plaquettes. Ce sont des fragments de 2 à 3 micromètres seulement, détachés de cellules géantes de la moelle osseuse, et elles vivent environ 7 à 10 jours. D'ordinaire, elles glissent sur le revêtement lisse du vaisseau, mais une coupure met à nu le collagène sous-jacent. Les plaquettes s'y collent, passent de disques lisses à des formes hérissées et libèrent des substances qui en appellent d'autres ; elles s'empilent en un clou plaquettaire encore mou.

Vient alors la cascade de la coagulation, une chaîne d'une douzaine de facteurs, surtout des protéines fabriquées par le foie et numérotées en chiffres romains. Chaque facteur activé en active de nombreuses molécules du suivant, si bien qu'un petit déclencheur s'amplifie en déluge. Au bout de la chaîne, une enzyme, la thrombine, découpe le fibrinogène dissous dans le plasma en filaments collants de fibrine. Ces fils tissent un filet sur le clou et piègent les globules rouges : le liquide de la plaie devient un gel rouge et ferme. Plusieurs facteurs ont besoin de vitamine K pour être fabriqués. Enfin, le caillot se rétracte et rapproche les bords de la plaie, puis, une fois le vaisseau guéri, une enzyme appelée plasmine le dissout.

Le saviez-vous ? En 2009, l'ADN des restes de la dernière famille impériale russe a montré que le jeune tsarévitch Alexis souffrait d'hémophilie B, héritée par sa mère de la reine Victoria.

La cascade a été reconstituée en plusieurs décennies : Paul Morawitz propose en 1905 un schéma classique à quatre facteurs, et en 1964 deux équipes, Robert Macfarlane à Oxford et Earl Davie avec Oscar Ratnoff aux États-Unis, décrivent la cascade d'amplification étape par étape. Les personnes atteintes d'hémophilie manquent d'un facteur, le plus souvent le VIII ou le IX, et peuvent saigner longtemps après une petite blessure ; les gènes en cause étant portés par le chromosome X, la maladie touche surtout les garçons. Le problème inverse, la thrombose, est un caillot là où on n'en veut pas : dans une veine de la jambe, une artère coronaire ou le cerveau.

Sur la peau, la couche externe du caillot sèche en croûte, un toit provisoire pendant que le nouveau tissu pousse dessous. Arrachez-la et vous relancez simplement la cascade. La cicatrisation relève d'un autre chapitre ; la mission du caillot s'achève dès que la fuite est colmatée.

La pression artérielle

En 1733, le pasteur et savant anglais Stephen Hales attache une jument sur le dos, ouvre une artère de son cou et la relie à un tube de verre d'environ trois mètres. Le sang monte à près de deux mètres et demi dans le tube et oscille à chaque battement. C'est la première mesure de la pression artérielle, la force que le sang exerce sur la paroi des vaisseaux, et elle montre que les artères ne sont jamais au repos.

Dans les artères, la pression monte et descend à chaque battement. Le maximum, quand le ventricule gauche se contracte et chasse le sang dans l'aorte, est la pression systolique ; le minimum, pendant que le cœur se remplit, est la pression diastolique. Toutes deux s'expriment en millimètres de mercure, en souvenir des anciennes colonnes de mercure : une valeur typique de jeune adulte en bonne santé, « 12/8 » comme on dit en France, soit 120 sur 80, signifie que la pression pourrait soulever une colonne de mercure de 120 millimètres au maximum et de 80 entre deux battements. La méthode moderne du brassard date de 1896, quand Scipione Riva-Rocci utilise une manchette gonflable autour du bras, et de 1905, quand le chirurgien russe Nikolaï Korotkov décrit les bruits de tapotement entendus au stéthoscope pendant le dégonflage.

La pression n'est pas la même partout. Maximale dans l'aorte, elle baisse en chemin, surtout dans les artérioles musclées, qui jouent le rôle de robinets réglant la résistance. À l'entrée des capillaires, elle n'est plus que d'environ 35, et de 15 à leur sortie ; dans les grosses veines proches du cœur, elle ne dépasse guère quelques millimètres. À chaque instant, elle dépend du débit du cœur et du degré de serrage des artérioles.

Le saviez-vous ? Une girafe a besoin d'une pression environ deux fois supérieure à la nôtre pour hisser le sang sur deux mètres de cou jusqu'à son cerveau.

Le corps maintient la pression dans des limites, seconde après seconde. Des capteurs d'étirement, les barorécepteurs, logés dans la paroi de l'aorte et des carotides du cou, renseignent le tronc cérébral, qui ajuste la fréquence cardiaque et le calibre des vaisseaux. Levez-vous brusquement : le sang s'accumule un instant dans les jambes ; le réflexe le rattrape d'ordinaire en un ou deux battements, mais s'il tarde, la tête tourne. Sur des heures et des jours, les reins prennent le relais en réglant la quantité de sel et d'eau que garde le corps.

Une pression durablement élevée, l'hypertension, ne donne généralement aucun symptôme, d'où son surnom de tueur silencieux. Au Royaume-Uni, une mesure au cabinet de 140/90 ou plus est en général considérée comme élevée. Au fil des années, elle fatigue le cœur et abîme les artères, ce qui augmente le risque d'accident vasculaire cérébral, d'infarctus et de maladie rénale. Les valeurs varient aussi naturellement au cours de la journée et montent souvent chez le médecin : c'est l'effet blouse blanche. Un chiffre isolé ne raconte jamais toute l'histoire ; c'est la tendance qui compte.

Le système lymphatique

Les vaisseaux sanguins fuient, et c'est voulu. Quand le sang traverse les capillaires, la pression chasse du liquide entre les cellules, qui baignent ainsi dans les nutriments. L'essentiel est réabsorbé à l'autre bout du capillaire, mais pas tout. Chaque jour, environ trois litres restent en arrière, avec des protéines et des cellules égarées. Sans moyen de les récupérer, les tissus gonfleraient comme des éponges. Ce travail de serpillière revient au système lymphatique, un second réseau de vaisseaux qui longe presque partout les vaisseaux sanguins.

Il commence par des capillaires lymphatiques borgnes, un peu plus larges que les capillaires sanguins, dont les cellules de paroi se chevauchent comme des clapets à sens unique : le liquide entre, mais ne ressort pas. Une fois à l'intérieur, il prend le nom de lymphe, claire et pâle. Les capillaires se rejoignent en vaisseaux plus gros, munis de valvules comme les veines. Il n'y a pas de pompe : la lymphe avance sous la pression des muscles, les pulsations des artères voisines et les variations de pression de la respiration. Dans la muqueuse de l'intestin grêle, des lymphatiques particuliers, les chylifères, absorbent les graisses digérées et rendent la lymphe laiteuse.

En chemin, la lymphe traverse des ganglions lymphatiques, des filtres en forme de haricot mesurant de quelques millimètres à environ 2 centimètres. Un adulte en possède plusieurs centaines, on cite souvent environ 600, regroupés dans le cou, les aisselles, l'aine, le thorax et l'abdomen. À l'intérieur, des globules blancs serrés inspectent le liquide qui passe et piègent bactéries, virus et débris. Enfin, les vaisseaux convergent en deux grands collecteurs. Le canal thoracique, long d'environ 40 centimètres, draine la plus grande partie du corps et se jette dans une grosse veine à la base du cou, à gauche, tandis que le petit canal lymphatique droit draine le bras droit, la moitié droite du thorax et de la tête.

Le système compte deux autres organes. La rate, de la taille d'un poing, se trouve sous les côtes en haut à gauche ; elle filtre le sang plutôt que la lymphe, élimine les vieux globules rouges et stocke des globules blancs. Le thymus, derrière le sternum, est l'école des jeunes lymphocytes T ; il est maximal pendant l'enfance puis se transforme peu à peu en graisse. L'anatomiste italien Gaspare Aselli remarque le premier les chylifères laiteux en 1622 chez un chien qui venait de manger, et dans les années 1650 Olof Rudbeck et Thomas Bartholin retracent l'ensemble du réseau.

Le saviez-vous ? Des vaisseaux lymphatiques dans les méninges qui entourent le cerveau n'ont été décrits qu'en 2015, renversant l'idée classique selon laquelle le cerveau n'en avait pas.

Quand des ganglions sont retirés ou abîmés, par exemple après certaines opérations de cancer, la lymphe peut s'accumuler et provoquer un gonflement durable, le lymphœdème. Les « glandes » gonflées du cou pendant une angine ne sont pas des glandes mais des ganglions, gonflés parce qu'ils travaillent. Réseau de drainage discret la plupart du temps, il devient un champ de bataille dès qu'un microbe s'introduit.

Les reins

Posez les mains sur la taille, pouces vers l'arrière : ils reposent juste sous vos reins, deux organes en forme de haricot plaqués contre la paroi postérieure de l'abdomen, de part et d'autre de la colonne. Chacun mesure environ 11 à 12 centimètres, la taille d'une souris d'ordinateur, et pèse environ 150 grammes ; le droit est un peu plus bas, repoussé par le foie. Ensemble, ils représentent moins d'un demi pour cent du poids du corps, mais reçoivent environ un cinquième de tout le sang pompé par le cœur.

Coupez un rein dans sa longueur : vous voyez une couche externe, le cortex, et une région interne, la médullaire, organisée en pyramides qui s'écoulent dans un entonnoir, le bassinet, puis dans l'uretère. Les unités de travail sont les néphrons, microscopiques, environ un million par rein en général, même si leur nombre varie beaucoup d'une personne à l'autre. Chaque néphron commence par un glomérule, une pelote de capillaires lovée dans une poche à double paroi qui porte le nom de William Bowman, qui la décrit en 1842. La pression sanguine chasse l'eau et les petites molécules hors du glomérule, en laissant derrière les cellules sanguines et les grosses protéines.

Les reins filtrent environ 180 litres de liquide par jour, mais vous n'urinez qu'un à deux litres. Le reste est récupéré à mesure que le filtrat parcourt le tubule du néphron. Le premier segment, enroulé, le tubule proximal, reprend tout le glucose et environ deux tiers du sel et de l'eau. L'anse de Henle, en épingle à cheveux, plonge dans la médullaire et y crée un gradient de sel qui permettra plus tard d'attirer l'eau. Le tubule distal ajuste finement les sels et l'acidité, et dans le tube collecteur une hormone de l'hypophyse, l'hormone antidiurétique, décide de la quantité d'eau conservée : beaucoup quand on a soif, peu après une grande boisson. Ce qui reste, chargé d'urée et d'autres déchets, devient l'urine.

Le saviez-vous ? À raison de 180 litres par jour, les reins filtrent tout le volume de votre plasma sanguin environ 60 fois par jour.

Les reins ne font pas que nettoyer. Ils équilibrent le sel et l'eau, ce qui contribue à fixer la pression artérielle, libèrent l'érythropoïétine, qui commande à la moelle de fabriquer des globules rouges, et activent la vitamine D. Quand ils défaillent, les déchets s'accumulent dans le sang. En 1943, aux Pays-Bas occupés, le médecin néerlandais Willem Kolff construit le premier rein artificiel opérationnel, un appareil de dialyse bricolé en partie avec du boyau à saucisse et un tambour. En 1954, à Boston, l'équipe de Joseph Murray réussit la première greffe de rein, entre deux jumeaux identiques, Richard et Ronald Herrick.

La plupart des gens vivent normalement avec un seul rein sain, ce qui rend possible le don du vivant. La couleur de l'urine donne une idée du travail des reins : pâle après avoir beaucoup bu, plus foncée après une journée chaude et sèche. Deux petits haricots qui décident sans bruit de ce qui reste dans votre sang et de ce qui s'en va.

Les voies respiratoires

Les voies respiratoires conduisent l'air du monde extérieur jusqu'aux poumons, et elles font bien plus que le laisser passer. Le trajet commence aux narines et dans la cavité nasale, une chambre haute et étroite dont les parois latérales portent trois lames osseuses enroulées, les cornets. Derrière s'ouvre le pharynx, la gorge, partagée par l'air et les aliments ; puis le larynx ; puis la trachée, un tube d'environ 10 à 12 centimètres de long et de 2 centimètres de large qui descend à l'avant du cou jusque dans le thorax.

Les cornets font tourbillonner l'air sur une vaste muqueuse chaude, humide et riche en vaisseaux sanguins. Quand une inspiration atteint les poumons, elle est déjà à la température du corps et presque saturée de vapeur d'eau, qu'on l'ait prise sur une piste de ski ou dans le désert. Les poils des narines arrêtent les grosses particules, et une couche collante de mucus piège les poussières fines, les pollens et les microbes. Au sommet du larynx, un clapet en forme de feuille, l'épiglotte, s'abaisse à chaque déglutition et oriente les aliments vers l'œsophage, derrière la trachée.

La trachée est maintenue ouverte par 16 à 20 anneaux de cartilage en forme de C, ouverts vers l'arrière, contre l'œsophage. On les sent comme des reliefs sous la pomme d'Adam. À hauteur de la quatrième ou cinquième vertèbre thoracique, la trachée se divise au niveau d'une crête, la carène, en bronches souches droite et gauche. La droite est plus large, plus courte et plus verticale : c'est pourquoi une cacahuète inhalée finit le plus souvent à droite. En 1897, le chirurgien allemand Gustav Killian explora une trachée vivante avec un tube et une lumière et retira un os de porc coincé dans la bronche d'un fermier : la première bronchoscopie.

Tout au long du trajet, la muqueuse est tapissée de cils, des poils microscopiques qui battent 10 à 20 fois par seconde en vagues coordonnées. Ils font remonter la couche de mucus, un véritable « escalator mucociliaire » qui livre la saleté piégée à la gorge, où elle est avalée sans qu'on y pense. La fumée de tabac ralentit puis détruit les cils, d'où la toux des fumeurs, qui doivent expulser ce que leur escalator ne transporte plus. Dans l'asthme, le muscle lisse des petites bronches se contracte et la muqueuse gonfle, si bien qu'expirer devient un effort sifflant.

Le saviez-vous ? La plupart des gens respirent surtout par une seule narine à la fois ; l'autre côté gonfle légèrement, et les deux alternent toutes les quelques heures selon un rythme appelé cycle nasal.

Un nez qui coule par temps froid, c'est le système qui fait des heures supplémentaires : la muqueuse sécrète davantage d'humidité pour réchauffer l'air glacé, et une partie se condense avant d'être réabsorbée. Les voies respiratoires ne sont pas une simple tuyauterie, mais une climatisation qui ne s'arrête jamais.

Les poumons

Les poumons sont deux organes mous, spongieux et coniques qui occupent l'essentiel du thorax, du dessus des clavicules jusqu'au dôme du diaphragme. À eux deux, ils ne pèsent qu'environ un kilogramme, car leur volume est surtout fait d'air. Ils ne sont pas identiques : le poumon droit compte trois lobes, supérieur, moyen et inférieur, le gauche seulement deux, et il présente une échancrure, l'incisure cardiaque, pour laisser la place au cœur, qui penche à gauche.

À l'intérieur, tout s'organise autour de l'arbre bronchique. La trachée se divise en deux bronches souches, puis en bronches lobaires, en bronches segmentaires, et ainsi de suite, chaque tube se scindant en deux plus petits environ 23 fois. Les quinze ou seize premières générations forment la zone de conduction : des bronches renforcées de cartilage, puis des bronchioles plus fines, entourées de muscle lisse. Elles transportent l'air sans échanger de gaz, et leur volume, environ 150 millilitres, s'appelle l'espace mort. Vers la génération 17, les parois se couvrent de petits sacs d'air, et à la génération 23 l'arbre s'achève en millions de sacs alvéolaires où l'oxygène passe enfin dans le sang.

Les poumons n'ont aucun muscle propre pour déplacer l'air. Chacun est enveloppé d'une fine membrane, la plèvre, et l'intérieur de la paroi thoracique en porte une autre. Entre les deux, un film de liquide d'un ou deux centièmes de millimètre permet aux surfaces de glisser tout en les collant l'une à l'autre, comme deux vitres mouillées. Quand le thorax s'agrandit, il entraîne les poumons. Au repos, un adulte déplace environ un demi-litre d'air par respiration, 12 à 20 fois par minute, soit bien plus de 15 000 respirations par jour. Une inspiration maximale porte le volume pulmonaire à environ six litres chez un grand homme adulte, et même après l'expiration la plus forcée, plus d'un litre reste à l'intérieur : les poumons ne se vident jamais.

Leur rôle fut démontré de façon spectaculaire en 1667, lorsque Robert Hooke maintint en vie un chien anesthésié en insufflant de l'air dans ses poumons ouverts à l'aide d'un soufflet. C'est l'air frais, montra-t-il, et non le mouvement des poumons, qui gardait l'animal en vie. Exposés au monde extérieur à chaque inspiration, les poumons sont vulnérables aux infections : dans la pneumonie, les espaces aériens se remplissent de liquide et de cellules. Si de l'air s'infiltre entre les deux feuillets pleuraux, c'est le pneumothorax : l'étanchéité est rompue et le poumon s'affaisse comme un ballon qu'on lâche.

Le saviez-vous ? Un fragment de poumon sain flotte sur l'eau. Pendant des siècles, les médecins légistes se sont servis de cette « docimasie pulmonaire » pour savoir si un nouveau-né avait respiré, une méthode aujourd'hui jugée peu fiable.

Vous le ressentez chaque fois qu'après une grande inspiration vous flottez plus haut dans une piscine. Vos poumons sont à la fois une bouée, un arbre ramifié et un soufflet.

Les alvéoles : là où l'air rencontre le sang

Tout au bout de l'arbre bronchique se trouvent les alvéoles, de minuscules sacs d'air groupés comme des grappes de raisin autour des derniers conduits. Chacune mesure environ un cinquième de millimètre, et un comptage minutieux de poumons adultes en a dénombré quelque 480 millions, même si ce nombre varie d'une personne à l'autre. Déployée à plat, leur surface intérieure couvrirait environ 70 mètres carrés, presque un terrain de badminton, le tout replié dans un volume comparable à deux ballons de football.

Chaque alvéole est enveloppée d'un réseau de capillaires si dense que le sang s'y écoule presque comme une nappe continue. Entre l'air et le sang se dresse la barrière alvéolo-capillaire, épaisse d'un demi-micromètre à peine, plus de cent fois plus fine qu'un cheveu. Elle compte trois couches : un pneumocyte de type I, cellule aplatie qui tapisse le sac, une membrane basale commune et la fine cellule de la paroi du capillaire. L'oxygène diffuse simplement à travers, de l'air, où il est concentré, vers le sang, où il l'est moins, tandis que le dioxyde de carbone fait le chemin inverse. Au repos, un globule rouge passe environ trois quarts de seconde dans un capillaire alvéolaire, mais il est en général chargé dès le premier tiers de ce temps, ce qui laisse une marge pour l'effort.

Des surfaces aussi humides posent un problème : la tension superficielle, la force qui fait perler l'eau, tend à refermer les petites bulles. Des cellules plus rondes, les pneumocytes de type II, le résolvent en sécrétant le surfactant, un film de lipides et de protéines semblable à un détergent qui abaisse la tension superficielle et empêche les alvéoles de s'affaisser à chaque expiration. À leur surface patrouillent les macrophages alvéolaires, surnommés cellules à poussière, qui avalent particules inhalées et bactéries.

Marcello Malpighi vit le premier les alvéoles et leurs capillaires en 1661, en observant des poumons de grenouille au microscope, et découvrit du même coup le chaînon manquant entre artères et veines. Près de trois siècles plus tard, en 1959, Mary Ellen Avery et Jere Mead montrèrent que les prématurés en détresse respiratoire manquaient de surfactant, une découverte à l'origine de traitements qui sauvent aujourd'hui de nombreux nouveau-nés. Chez l'adulte, l'emphysème, le plus souvent dû au tabac, détruit les cloisons entre alvéoles et les fusionne en espaces plus grands et plus mous, avec bien moins de surface d'échange. Dans la fibrose pulmonaire, la barrière s'épaissit et se rigidifie.

Le saviez-vous ? À chaque instant, les capillaires de vos poumons ne contiennent qu'environ 75 millilitres de sang, à peu près cinq cuillerées à soupe, étalés si finement qu'ils recouvrent toute la surface alvéolaire.

Gonfler une bulle de savon illustre la physique en jeu : plus la bulle est petite, plus elle résiste. La première inspiration d'un nouveau-né, qui doit ouvrir d'un coup des millions d'alvéoles remplies de liquide, est l'une des plus difficiles de toute une vie. Ensuite, grâce au surfactant, chaque respiration paraît sans effort.

Le diaphragme et la respiration

Le diaphragme est une nappe de muscle squelettique en forme de dôme qui sépare le thorax de l'abdomen. Ses fibres partent des dernières côtes, du sternum et de la colonne et convergent vers un centre tendineux plat, au sommet du dôme, sur lequel repose le cœur. Il est percé de trois grands orifices, pour l'œsophage, l'aorte et la veine cave inférieure. Son nerf, le nerf phrénique, naît haut dans le cou, des troisième, quatrième et cinquième nerfs cervicaux, ce que les étudiants anglophones retiennent par la formule « C3, 4 et 5 gardent le diaphragme en vie ».

Inspirer est un travail actif. Quand le diaphragme se contracte, son dôme s'aplatit et descend, d'un ou deux centimètres en respiration calme et jusqu'à dix lors d'une inspiration profonde. En même temps, les muscles intercostaux externes soulèvent la cage thoracique vers le haut et vers l'extérieur, comme l'anse d'un seau qu'on relève. Le thorax s'agrandit et, parce que les poumons adhèrent à ses parois, ils se dilatent aussi. Selon la loi de Boyle-Mariotte, un gaz dans un volume plus grand est à plus basse pression : l'air des poumons descend juste un peu, d'environ un millimètre de mercure, sous la pression extérieure. Cette petite différence suffit, et l'air entre.

Expirer, au repos, ne demande aucun effort. Le diaphragme se relâche, les poumons et la paroi thoracique étirés reviennent en place par recul élastique, et l'air est chassé. Ce n'est que pour souffler des bougies, crier ou courir que les intercostaux internes et les abdominaux s'en mêlent pour expulser l'air plus vite. En respiration calme, le diaphragme assure environ les trois quarts du travail. Le rythme lui-même vient d'un groupe de neurones du tronc cérébral qui déchargent automatiquement, jour et nuit, même si l'on peut reprendre la main pour parler, chanter ou soupirer.

La mécanique fut débattue au XVIIe siècle. Dans les années 1670, le médecin anglais John Mayow compara le thorax à un soufflet : il n'aspire pas l'air, raisonnait-il, mais s'agrandit, et l'air extérieur vient remplir l'espace. Lorsque les nerfs phréniques sont lésés, ou la moelle épinière atteinte haut dans le cou, le diaphragme peut être paralysé, et une machine doit alors prendre le relais.

Le saviez-vous ? Les bébés ont le hoquet dans le ventre de leur mère. C'est fréquent au cours des derniers mois de grossesse, et beaucoup de femmes le sentent sous forme de petites secousses rythmées.

Le hoquet lui-même est un raté du diaphragme : une contraction brusque et involontaire aspire de l'air, et une fraction de seconde plus tard les cordes vocales se ferment d'un coup, produisant le « hic ». La plupart des crises cessent d'elles-mêmes en quelques minutes. Toutes vos autres respirations sont plus discrètes : un muscle qui tire vers le bas, puis qui lâche simplement prise.

Oxygène et dioxyde de carbone

Chaque cellule du corps brûle son carburant grâce à l'oxygène et rejette du dioxyde de carbone, et la respiration existe pour faire circuler ces deux gaz. Au repos, un adulte absorbe environ 250 millilitres d'oxygène par minute et rejette environ 200 millilitres de dioxyde de carbone. Le moteur qui les entraîne n'est pas une pompe, mais une pente de pression partielle, la part de la pression totale de l'air due à un gaz donné. Un gaz diffuse toujours de l'endroit où sa pression partielle est la plus élevée vers celui où elle est la plus basse.

L'air contient environ 21 % d'oxygène ; au niveau de la mer, sa pression en oxygène est donc d'environ 160 millimètres de mercure. Arrivé dans les alvéoles, l'air a été dilué par la vapeur d'eau et par le dioxyde de carbone qui quitte le sang, et la pression d'oxygène est tombée à environ 100. Le sang qui sort des poumons affiche une pression d'oxygène d'environ 95, mais l'essentiel de son oxygène n'est pas dissous. Environ 98 % voyage sur l'hémoglobine, la protéine qui remplit les globules rouges ; chaque molécule peut porter quatre molécules d'oxygène, et le sang artériel est saturé à 98 % environ. Dans les tissus, où la pression d'oxygène avoisine 40, et dans les mitochondries, où elle n'est que de quelques millimètres, l'hémoglobine lâche sa charge. Même ainsi, le sang qui revient au cœur au repos reste saturé aux trois quarts : une réserve considérable pour l'effort.

Le dioxyde de carbone fait le voyage retour par trois voies. Environ 70 % est transformé en bicarbonate dans les globules rouges, une réaction énormément accélérée par l'enzyme anhydrase carbonique ; environ 20 % se fixe sur l'hémoglobine ; le reste circule dissous dans le plasma. Dans les tissus actifs, la hausse du dioxyde de carbone et de l'acidité pousse l'hémoglobine à libérer plus facilement son oxygène, c'est l'effet Bohr : les muscles qui travaillent le plus sont servis en priorité.

L'histoire de cette découverte se joue dans les années 1770. Carl Wilhelm Scheele en Suède et Joseph Priestley en Angleterre isolèrent chacun l'oxygène, et Antoine Lavoisier, à Paris, lui donna son nom et montra que la respiration est une combustion lente, comme une bougie qui brûlerait en nous. Joseph Black avait déjà repéré l'« air fixe », le dioxyde de carbone, dans l'air expiré. Cette chimie peut être détournée : le monoxyde de carbone se lie à l'hémoglobine environ 200 fois plus fortement que l'oxygène et bloque sans bruit son transport. Et un mythe tenace mérite d'être corrigé : le sang des veines n'est jamais bleu ; il est rouge sombre et ne paraît bleuté qu'à travers la peau.

Le saviez-vous ? Quand vous perdez de la graisse, l'essentiel de sa masse quitte votre corps sous forme de dioxyde de carbone expiré par les poumons ; une part plus faible s'en va sous forme d'eau.

L'air expiré contient encore environ 16 % d'oxygène, ce qui explique que le bouche-à-bouche puisse maintenir quelqu'un en vie. À chaque expiration, vous rendez à l'air l'essentiel de ce que vous lui avez emprunté, plus un peu de ce que vous avez mangé.

La voix

La voix naît dans le larynx, une charpente creuse de cartilages au sommet de la trachée. Sa plus grande pièce, le cartilage thyroïde, fait saillie pour former la pomme d'Adam. À l'intérieur, tendus d'avant en arrière, se trouvent les deux plis vocaux, qu'on appelle souvent cordes vocales, bien qu'il ne s'agisse pas de cordes mais de replis arrondis de muscle et de ligament recouverts d'une muqueuse souple. Chez l'homme adulte, ils mesurent environ 17 à 25 millimètres, chez la femme 12 à 17. À l'arrière, de petits cartilages aryténoïdes en forme de pyramide écartent les plis pour respirer, ouvrant un espace en V, la glotte, et les rapprochent pour parler.

Le son se fabrique étape par étape. Les plis se ferment ; la pression de l'air venu des poumons monte sous eux jusqu'à les écarter, en commençant par le bord inférieur ; une bouffée d'air s'échappe ; puis l'élasticité des plis et la chute brutale de pression dans le flux rapide les referment. Le cycle se répète cent fois par seconde ou davantage et hache le souffle continu en un bourdonnement. Tendez et étirez les plis, surtout grâce au muscle crico-thyroïdien, et ils vibrent plus vite : la hauteur du son monte. Un homme adulte parle en moyenne à environ 120 vibrations par seconde, une femme à environ 210, et les jeunes enfants plus haut encore.

Ce bourdonnement brut ressemblerait à un appeau à canard. Le conduit vocal situé au-dessus, la gorge, la bouche et les fosses nasales, agit comme une caisse de résonance dont la forme sélectionne certaines fréquences ; en bougeant la langue et la mâchoire, on modifie ces résonances et on transforme le bourdonnement en voyelles. La langue, les dents, les lèvres et le voile du palais interrompent et façonnent ensuite le flux pour former les consonnes.

Le premier à observer ses propres plis vocaux en action fut un professeur de chant, Manuel García. En 1854, à Londres, il se servit d'un miroir de dentiste à long manche, d'un miroir à main et de la lumière du soleil pour voir son larynx : la laryngoscopie était née. Les troubles viennent du surmenage et des infections : dans la laryngite, les plis gonflent et la voix devient rauque ou disparaît, et les chanteurs ou enseignants qui forcent leur voix peuvent développer de petits cals, les nodules vocaux. À la puberté, le larynx masculin grandit vite, les plis s'allongent et s'épaississent, et la voix descend d'environ une octave, en se cassant parfois au passage.

Le saviez-vous ? Quand une soprano chante un contre-ut, ses plis vocaux s'ouvrent et se ferment plus de mille fois par seconde.

Si votre voix vous semble étrange sur un enregistrement, le micro n'y est pour rien. D'ordinaire, vous vous entendez en partie à travers les os du crâne, qui favorisent les graves ; l'enregistrement, c'est la voix que tout le monde entend. C'est votre souffle, transformé en son.

Toux, éternuements et bâillements

La toux, l'éternuement et le bâillement sont des réflexes : des manœuvres respiratoires pilotées par des circuits du tronc cérébral plutôt que par la volonté. On peut parfois en retarder un, rarement l'arrêter, et jamais vraiment l'imiter de façon convaincante. Tous trois suivent un scénario voisin, une inspiration profonde, une pause, puis une libération brutale ou prolongée, mais ils servent des buts différents.

La toux protège les voies respiratoires basses. Elle commence quand des récepteurs d'irritation du larynx, de la trachée ou des bronches détectent poussière, mucus, fumée ou une miette égarée, et envoient des signaux par le nerf vague. Le tronc cérébral répond par une inspiration profonde. Puis la glotte, l'espace entre les plis vocaux, se ferme d'un coup, et les muscles de l'abdomen et du thorax se contractent violemment contre elle, faisant grimper la pression thoracique bien au-delà de la normale. Quand la glotte s'ouvre soudain, l'air jaillit à grande vitesse, entraînant mucus et débris. La compression rétrécit aussi la trachée, ce qui accélère encore le souffle.

L'éternuement fait le même travail pour le nez. L'irritation de la muqueuse nasale est relayée par le nerf trijumeau, le grand nerf de la sensibilité du visage, vers un centre de l'éternuement dans le tronc cérébral. Suivent une inspiration profonde et une compression du thorax, tandis que la langue et le voile du palais se placent pour diriger le jet par le nez autant que par la bouche. Les yeux se ferment par réflexe mais, contrairement à une idée reçue, ils ne sortiraient pas de leurs orbites s'ils restaient ouverts. L'affirmation selon laquelle un éternuement file à plus de 160 kilomètres à l'heure est elle aussi exagérée : les films à haute vitesse indiquent quelques mètres par seconde, même si le nuage turbulent peut porter des gouttelettes à plusieurs mètres.

Le bâillement fait figure d'exception : une inspiration longue et lente, mâchoire grande ouverte, un bref sommet, puis une expiration plus courte, environ six secondes en tout. Son rôle reste débattu. L'ancienne idée qu'il servirait à refaire le plein d'oxygène a été testée dans les années 1980 par le psychologue Robert Provine, qui a constaté que respirer davantage d'oxygène ou de dioxyde de carbone ne changeait pas la fréquence des bâillements. Une hypothèse actuelle veut qu'il aide à refroidir le cerveau ; une autre le relie aux transitions entre sommeil et éveil. Le bâillement est notoirement contagieux, et les fœtus bâillent déjà dans l'utérus.

Le saviez-vous ? Chez une personne sur six à une sur trois environ, passer brusquement en plein soleil déclenche un éternuement, une bizarrerie sans danger appelée réflexe photo-sternutatoire.

Les ennuis commencent quand un réflexe refuse de s'éteindre : une toux chronique qui dure des semaines mérite d'être explorée, car sa cause peut aller de l'asthme au reflux acide. La plupart du temps, ce ne sont que de petits gestes d'entretien. Même lire un texte sur le bâillement peut vous faire bâiller : c'est le tronc cérébral qui a le dernier mot.

Respirer en altitude

Gravissez une montagne : la proportion d'oxygène de l'air ne diminue pas, elle reste d'environ 21 % même au sommet de l'Everest. Ce qui baisse, c'est la pression atmosphérique, et avec elle la pression partielle d'oxygène, la poussée qui fait passer l'oxygène des alvéoles au sang. La pression de l'air est divisée par deux vers 5 500 mètres. Au sommet de l'Everest, à 8 849 mètres, elle n'atteint qu'environ un tiers de sa valeur au niveau de la mer, et la pression d'oxygène de l'air tombe d'environ 159 à environ 53 millimètres de mercure.

Le corps réagit par étapes. En quelques minutes, des capteurs, les corpuscules carotidiens, petits amas de cellules situés dans le cou à la bifurcation des carotides, détectent la baisse d'oxygène sanguin et déclenchent une respiration plus rapide et plus profonde, tandis que le cœur accélère. Respirer plus fort chasse le dioxyde de carbone et rend le sang plus alcalin ; dans les jours suivants, les reins excrètent donc davantage de bicarbonate pour rétablir l'équilibre. Au fil des semaines, les reins libèrent aussi plus d'érythropoïétine, l'hormone qui commande à la moelle osseuse de fabriquer davantage de globules rouges. Cette acclimatation explique pourquoi les alpinistes montent lentement et pourquoi existe la règle « grimper haut, dormir bas ».

Monter trop vite a des conséquences. Au-delà d'environ 2 500 mètres, beaucoup de gens souffrent du mal aigu des montagnes : maux de tête, nausées, mauvais sommeil et fatigue. Des formes plus rares mais graves comprennent l'œdème pulmonaire et l'œdème cérébral de haute altitude, dont le premier traitement est la descente. Au-dessus de 8 000 mètres commence la « zone de la mort », où personne ne peut s'acclimater pleinement et où le corps se dégrade lentement. Certaines populations se sont adaptées au fil des millénaires : beaucoup de Tibétains portent un variant du gène EPAS1, hérité des anciens Dénisoviens, qui leur évite un excès de globules rouges, et les habitants des Andes ont leurs propres adaptations. La plus haute ville habitée en permanence, La Rinconada au Pérou, se trouve vers 5 100 mètres.

La découverte fut dramatique. En 1875, le ballon Zénith s'éleva au-dessus de 8 000 mètres au-dessus de la France, et deux de ses trois aéronautes moururent par manque d'oxygène. Le physiologiste français Paul Bert, qui les avait conseillés, montra dans son livre de 1878, La Pression barométrique, que le danger venait de la faible pression partielle d'oxygène, et non de la basse pression en elle-même.

Le saviez-vous ? Reinhold Messner et Peter Habeler ont été les premiers à gravir l'Everest sans oxygène en bouteille, en 1978, un exploit que de nombreux physiologistes jugeaient impossible.

Vous rencontrez l'air raréfié chaque fois que vous prenez l'avion. Les cabines sont pressurisées à l'équivalent de 1 800 à 2 400 mètres environ, d'où vos oreilles qui se débouchent à la montée et à la descente : l'air enfermé dans l'oreille moyenne doit s'équilibrer par l'étroite trompe d'Eustache. L'altitude, au fond, n'est pas un manque d'oxygène, mais un manque de poussée.

Retenir son souffle

Prenez une grande inspiration et retenez-la : en une minute environ, la plupart des adultes non entraînés trouvent l'envie de respirer irrésistible. Étonnamment, ce n'est pas le manque d'oxygène qui vous fait abandonner. La principale alarme est la hausse du dioxyde de carbone dans le sang. En se dissolvant, il forme un acide, et des chimiorécepteurs centraux, capteurs situés à la surface du tronc cérébral, détectent le changement d'acidité du liquide qui baigne le cerveau. De plus petits capteurs dans le cou, les corpuscules carotidiens, surveillent aussi l'oxygène, mais dans les conditions normales c'est le dioxyde de carbone qui donne le signal.

Une apnée se déroule par étapes. D'abord la glotte se ferme et le diaphragme s'immobilise. Le dioxyde de carbone grimpe régulièrement tandis que l'oxygène baisse plus lentement. Au point de rupture, généralement après 30 à 90 secondes au repos, le besoin de respirer devient irrépressible. Ceux qui persistent sentent le diaphragme se mettre à tressauter en contractions involontaires, des spasmes rythmés que les apnéistes apprennent à supporter. Avec l'entraînement, on allonge l'apnée de façon spectaculaire, et des apnéistes d'élite ont retenu leur souffle plus de onze minutes à l'air ordinaire, immobiles dans l'eau.

L'eau aide. Le réflexe d'immersion des mammifères, déclenché par l'eau froide sur le visage, ralentit le cœur, resserre les vaisseaux des bras et des jambes afin de réserver l'oxygène au cœur et au cerveau, et fait se contracter la rate, qui libère des globules rouges supplémentaires. Ce réflexe est le plus marqué chez les mammifères plongeurs comme les phoques, mais il est net chez l'être humain aussi.

L'idée que la respiration est commandée par le dioxyde de carbone a été établie par John Scott Haldane et John Gillies Priestley à Oxford, qui montrèrent en 1905 que le corps ajuste sa respiration pour garder remarquablement constant le dioxyde de carbone des poumons. Leur découverte explique un vrai danger. Respirer vite et fort avant une plongée, l'hyperventilation, élimine le dioxyde de carbone du sang sans ajouter beaucoup d'oxygène, si bien que l'envie de respirer arrive trop tard ; l'oxygène peut alors chuter jusqu'à provoquer sous l'eau une perte de connaissance soudaine, sans avertissement, la syncope anoxique. Sur la terre ferme, en revanche, on ne peut pas retenir son souffle au point de se faire du mal : si l'on s'évanouissait, le tronc cérébral relancerait simplement la respiration.

Le saviez-vous ? Les Bajau, « nomades de la mer » d'Asie du Sud-Est qui passent une grande partie de leur journée de travail à plonger en apnée, ont une rate environ moitié plus grosse que celle de leurs voisins agriculteurs, une adaptation héréditaire.

Tout nageur qui a voulu faire une longueur de plus sous l'eau a rencontré le point de rupture et senti son diaphragme protester. Cette envie brûlante ne signifie pas que votre corps manque d'air. C'est une alarme au dioxyde de carbone, et elle sonne presque toujours en avance.

Respirer pendant l'effort

Au repos, un adulte respire environ six litres d'air par minute. Mettez-vous à courir et ce chiffre grimpe en flèche, au-delà de 100 litres par minute lors d'un effort intense et jusqu'à 150 ou plus chez les athlètes d'endurance de haut niveau. Chaque respiration passe d'environ un demi-litre à près de trois, et la fréquence monte d'une douzaine de respirations par minute à 40 ou davantage. Orchestrer ce changement est un travail d'équipe, dont le chef est le centre respiratoire du tronc cérébral.

Les premiers acteurs sont les capteurs. La respiration bondit dès les premières secondes de l'effort, avant que la chimie du sang ait eu le temps de changer. Cette hausse précoce vient de l'ordre de mouvement donné par le cerveau lui-même et des signaux de mécanorécepteurs situés dans les muscles et les articulations en mouvement. Quand l'effort se prolonge, des chimiorécepteurs du tronc cérébral et des corpuscules carotidiens ajustent finement la respiration à la production croissante de dioxyde de carbone. Les pompes répondent : le diaphragme se contracte plus fort et plus vite, tandis que les muscles intercostaux et abdominaux s'en mêlent pour chasser l'air au lieu d'attendre le recul passif. Dans les poumons, les bronches s'élargissent légèrement et des capillaires inactifs au repos, surtout au sommet des poumons, s'ouvrent et agrandissent la surface d'échange.

La livraison compte autant que la respiration. Le débit du cœur passe d'environ 5 litres de sang par minute à 20 ou 25 chez un adulte entraîné, et les muscles au travail prélèvent une part bien plus grande de l'oxygène qui les traverse, si bien que le sang revient au cœur nettement appauvri. La consommation d'oxygène passe d'environ un quart de litre par minute au repos à son maximum, la VO2 max, typiquement 3 à 4 litres par minute chez un jeune adulte en bonne santé et 5 ou plus chez les meilleurs athlètes d'endurance. Le physiologiste britannique Archibald Vivian Hill mesura la consommation d'oxygène de coureurs dans les années 1920 et introduisit la notion de consommation maximale d'oxygène, des travaux qui contribuèrent à fonder la physiologie de l'exercice.

Quand l'effort augmente encore, les muscles produisent de l'acide lactique plus vite qu'il n'est éliminé. Le sang le tamponne avec du bicarbonate, ce qui libère du dioxyde de carbone supplémentaire, et la respiration s'emballe hors de proportion avec le travail. Ce seuil ventilatoire est le moment où tenir une conversation devient difficile, principe du simple « test de la parole ». Chez les personnes en bonne santé, ce sont rarement les poumons qui limitent la performance ; le cœur et les muscles lâchent généralement les premiers. Mais dans la bronchoconstriction induite par l'exercice, une forme d'asthme, les bronches se resserrent pendant ou après un effort intense, souvent dans l'air froid et sec.

Le saviez-vous ? L'entraînement agrandit à peine les poumons ; ce qu'il construit, c'est un cœur plus puissant et des muscles riches en capillaires et en mitochondries.

L'essoufflement après un sprint, c'est le système qui rattrape son retard : il rembourse une dette d'oxygène, évacue dioxyde de carbone et lactate, et refroidit le corps. Être essoufflé n'est pas un échec des poumons, mais le signe que toute l'équipe travaille.

Les dents et la mastication

La digestion commence par une bouchée. La bouche d'un adulte compte jusqu'à 32 dents définitives, seize par mâchoire, disposées en fer à cheval selon l'arcade dentaire. Devant, huit incisives au bord tranchant coupent ; à côté, quatre canines pointues saisissent et déchirent ; derrière, huit prémolaires et douze molaires, dont les quatre dents de sagesse, écrasent et broient grâce à leurs larges couronnes bosselées. L'enfant se contente de 20 dents de lait, qui commencent à tomber vers six ans, poussées par la dentition définitive.

Chaque dent suit le même plan en couches. La couronne visible est coiffée d'émail, la substance la plus dure du corps, minérale à environ 96 %, faite surtout de cristaux de phosphate de calcium appelés hydroxyapatite. Dessous se trouve la dentine, une couche jaunâtre proche de l'os, parcourue de milliers de tubules microscopiques. Au centre, la pulpe, un tissu vivant et mou, renferme vaisseaux et nerfs, qui entrent par un minuscule orifice à la pointe de chaque racine. Les racines logent dans des alvéoles de l'os de la mâchoire, recouvertes d'une fine couche de cément et suspendues par le ligament parodontal, un coussin de fibres qui laisse chaque dent céder très légèrement sous la charge.

La mastication est une mécanique de précision. Le masséter, que l'on sent gonfler à l'angle de la mâchoire quand on serre les dents, et son partenaire le temporal tirent la mandibule vers le haut avec une force de plusieurs centaines de newtons au niveau des molaires. La mâchoire glisse aussi latéralement, si bien que les molaires broient autant qu'elles écrasent. La langue et les joues ramènent sans cesse les aliments entre les dents, et la salive, entre un demi-litre et un litre et demi par jour, les ramollit en une boulette humide. Elle contient de l'amylase, une enzyme : voilà pourquoi un morceau de pain longuement mâché finit par avoir un goût sucré, car l'amidon est déjà découpé en sucre.

Le saviez-vous ? L'émail ne contient aucune cellule vivante ; contrairement à l'os, il ne peut jamais se réparer, car les cellules qui l'ont construit disparaissent dès que la dent perce la gencive.

Les dents ont aussi offert la plus ancienne découverte de la microbiologie. En 1683, le Néerlandais Antoni van Leeuwenhoek, fabricant de lentilles, gratta la matière blanche logée entre ses propres dents, l'observa au microscope et décrivit de minuscules « animalcules » en mouvement : la première observation connue de bactéries. Ce sont elles qui provoquent la carie : elles fermentent le sucre en acide, et quand la bouche devient assez acide, l'émail commence à se dissoudre. Si la cavité atteint la dentine, les tubules transmettent le chaud, le froid et le sucré droit vers le nerf, d'où l'élancement d'une dent abîmée devant une glace.

Des dents saines deviennent sensibles au froid pour la même raison quand la gencive se rétracte et découvre la dentine au collet. Derrière chaque repas paisible se cache un outillage de broyage conçu pour durer toute une vie, dans un matériau impossible à remplacer.

La déglutition

Avaler semble simple et ne l'est pas du tout. En moins d'une seconde, les aliments doivent franchir le seul carrefour du corps où se croisent les voies de l'air et de la nourriture, le pharynx, ou gorge, sans qu'une miette ne se trompe de chemin. La plupart des adultes déglutissent environ 500 à 700 fois par jour, surtout de la salive, et chaque fois des dizaines de muscles de la langue, du palais, de la gorge et du cou se contractent dans un ordre strict.

Le premier temps est volontaire. Une fois la nourriture mâchée en une boulette molle appelée bol alimentaire, la pointe de la langue s'appuie contre le palais dur et fait rouler le bol vers l'arrière, comme un dentifrice pressé hors du tube. Lorsqu'il touche le fond de la bouche, des capteurs déclenchent le deuxième temps, le réflexe pharyngé, et dès lors vous n'êtes plus aux commandes. Le voile du palais et la luette se soulèvent pour fermer les fosses nasales, afin que rien ne ressorte par le nez. Tout le larynx remonte d'un coup vers l'avant (on sent la pomme d'Adam s'élever), les cordes vocales se ferment, la respiration s'interrompt et l'épiglotte, un clapet de cartilage en forme de feuille, bascule sur l'entrée de la trachée. Le bol glisse par-dessus et pénètre dans l'œsophage.

Le troisième temps appartient à l'œsophage, un tube musculaire d'environ 25 centimètres qui descend derrière la trachée et le cœur. Il est fermé à ses deux extrémités par des anneaux musculaires, les sphincters. Le supérieur se relâche pour laisser entrer le bol ; puis un anneau de contraction descend derrière lui, une onde appelée péristaltisme, qui le pousse à quelques centimètres par seconde. Une bouchée solide atteint l'estomac en 5 à 10 secondes environ, un liquide un peu plus vite. Enfin, le sphincter inférieur de l'œsophage s'ouvre brièvement puis se referme pour garder l'acide gastrique à sa place.

On a vu ce mouvement pour la première fois en 1896, quelques mois après la découverte des rayons X, quand Walter Cannon, étudiant en médecine à Harvard, nourrit des animaux d'aliments mêlés de sels de bismuth et les suivit dans l'œsophage sur un écran fluoroscopique. Le même principe survit dans le transit baryté pratiqué aujourd'hui à l'hôpital.

Le saviez-vous ? Parce que le péristaltisme presse les aliments au lieu de les laisser tomber, on peut avaler la tête en bas, et les astronautes mangent normalement en orbite.

Quand la séquence échoue, les conséquences sont sérieuses. Après un accident vasculaire cérébral, le réflexe peut faiblir et laisser aliments ou boissons passer dans les voies respiratoires : c'est la fausse route. Si le sphincter inférieur se relâche à contretemps, l'acide remonte et brûle, ce sont les brûlures d'estomac. Et la déglutition offre un petit bonus : les mêmes muscles ouvrent les trompes d'Eustache vers l'oreille moyenne, ce qui explique pourquoi avaler débouche les oreilles quand l'avion descend.

L'estomac

L'estomac est une poche musculaire en forme de J, logée sous la partie gauche du diaphragme, entre la fin de l'œsophage et le début de l'intestin grêle. Vide, il ne contient qu'une petite tasse et sa muqueuse forme des plis profonds, les plis gastriques. Après un gros repas, ces plis s'effacent et il se distend pour accueillir confortablement 1 à 1,5 litre environ. Les anatomistes y distinguent le cardia, par où entrent les aliments, le fundus en dôme au-dessus, le vaste corps, et l'antre qui se rétrécit vers le pylore, un épais anneau musculaire gardant la sortie.

L'estomac est moins un digesteur qu'un mixeur doublé d'une cuve de stérilisation. Sa paroi compte trois couches musculaires, longitudinale, circulaire et oblique, une couche supplémentaire inhabituelle qui lui permet de presser, tordre et brasser. Plusieurs fois par minute, une onde balaie la poche vers le pylore, écrase les aliments contre la sortie fermée et les renvoie, jusqu'à obtenir une bouillie appelée chyme. Le pylore la libère alors quelques millilitres à la fois, et un repas ordinaire met deux à quatre heures à quitter l'estomac.

Pendant ce temps, des millions de cryptes de la muqueuse déversent environ 1,5 à 2 litres de suc gastrique par jour. Les cellules pariétales sécrètent de l'acide chlorhydrique, qui amène le contenu à un pH d'environ 1,5 à 3,5, assez acide pour tuer la plupart des microbes avalés. Les cellules principales libèrent le pepsinogène, que l'acide transforme en pepsine, une enzyme qui commence à découper les protéines. Les cellules pariétales fabriquent aussi le facteur intrinsèque, sans lequel la vitamine B12 ne pourrait être absorbée plus loin. L'estomac évite de se digérer lui-même en tapissant sa paroi d'un mucus épais et alcalin.

Le saviez-vous ? Les cellules de surface de la muqueuse gastrique ne vivent que quelques jours avant d'être éliminées et remplacées : vous vous refaites une paroi intérieure neuve environ deux fois par semaine.

Une grande partie de ce savoir est née d'un trou. En 1822, un coup de mousquet accidentel laissa au voyageur canadien Alexis Saint-Martin une ouverture permanente dans l'estomac, et le chirurgien de l'armée américaine William Beaumont passa des années à y suspendre des aliments au bout de fils de soie, à chronométrer la digestion et à prélever les sucs. Son livre de 1833 montra que la digestion est chimique, et pas seulement un broyage mécanique.

Quand la barrière de mucus cède, l'acide ronge la paroi et provoque un ulcère gastroduodénal. Pendant des décennies, on l'a attribué au stress, jusqu'à ce que les Australiens Robin Warren et Barry Marshall montrent que la plupart sont dus à une bactérie, Helicobacter pylori. En 1984, Marshall en avala une culture pour le prouver, déclencha une gastrite, et en 2005 tous deux reçurent le prix Nobel. Le rappel quotidien de toute cette musculature, ce sont les gargouillis d'un estomac vide : les ondes de contraction continuent de passer et poussent gaz et liquides sans rien pour étouffer le bruit.

L'intestin grêle

L'intestin grêle est l'endroit où la nourriture entre vraiment dans le corps. Il n'est « grêle » que par sa largeur, environ 2,5 centimètres, et immense par sa longueur : environ 6 mètres mesurés à l'autopsie, plutôt 3 à 5 mètres chez une personne vivante, dont les muscles le maintiennent tonique et ramassé. Il serpente au milieu de l'abdomen, suspendu à la paroi postérieure par une nappe de tissu en éventail, le mésentère, qui porte ses vaisseaux.

Il compte trois segments. Le duodénum, long d'environ 25 centimètres, s'enroule autour de la tête du pancréas et reçoit par un orifice commun deux livraisons cruciales : la bile du foie et de la vésicule, qui fragmente les graisses en fines gouttelettes, et le suc pancréatique, qui neutralise l'acide gastrique et apporte des enzymes pour l'amidon, les protéines et les lipides. Viennent ensuite le jéjunum, environ deux cinquièmes du reste, où se fait l'essentiel de l'absorption, et l'iléon, les trois cinquièmes restants, spécialisé dans l'absorption de la vitamine B12 et le recyclage des sels biliaires.

Le secret de l'intestin grêle, c'est la surface. Sa muqueuse forme des plis circulaires ; ces plis sont couverts de villosités, des saillies en doigt de gant hautes d'environ un millimètre ; et les cellules de chaque villosité portent des milliers de microvillosités, un duvet appelé bordure en brosse. Des enzymes ancrées dans cette bordure, comme la lactase et la saccharase, achèvent de réduire les aliments en leurs plus petites unités. Sucres et acides aminés passent alors dans un réseau de capillaires au cœur de chaque villosité et gagnent le foie par la veine porte hépatique. Les graisses prennent une autre route : elles entrent dans un vaisseau lymphatique central, le chylifère, et ne rejoignent le sang que plus tard. Les aliments séjournent ici environ deux à six heures.

Le saviez-vous ? Les cellules qui tapissent les villosités comptent parmi les plus vite renouvelées du corps : nées dans des cryptes à la base, elles grimpent jusqu'au sommet et sont éliminées au bout de trois à cinq jours seulement.

L'idée souvent répétée que la surface intérieure de l'intestin couvrirait un court de tennis est exagérée. Une étude minutieuse de 2014 a estimé l'ensemble du tube digestif à environ 30 mètres carrés, soit à peu près un demi-terrain de badminton, dont l'essentiel dans l'intestin grêle. Cela reste une quinzaine de fois la surface de la peau.

Le duodénum a aussi donné à la biologie sa première hormone. En 1902, les physiologistes londoniens William Bayliss et Ernest Starling découvrirent que l'acide entrant dans le duodénum d'un chien libérait dans le sang une substance qui faisait sécréter le pancréas, même nerfs sectionnés. Ils l'appelèrent sécrétine, et Starling forgea plus tard le mot « hormone ». Quand la muqueuse est abîmée, l'absorption en souffre : dans la maladie cœliaque, le système immunitaire réagit au gluten et aplatit les villosités. Chez la plupart des adultes du monde, la production de lactase baisse après l'enfance, d'où les gaz et crampes que le lait provoque chez tant de gens. Ce tube discret au milieu de vous est un tapis immense qui se renouvelle sans cesse.

Le foie

Le foie est le plus gros organe interne et l'usine chimique du corps. Chez l'adulte, il pèse environ 1,5 kilogramme : un coin d'un brun rouge sombre qui occupe le haut de l'abdomen à droite, sous les côtes, avec un grand lobe droit et un lobe gauche plus petit. Sa tuyauterie est aussi singulière. Environ 1,5 litre de sang le traverse chaque minute, près d'un quart de tout ce que pompe le cœur, et les trois quarts environ n'arrivent pas d'une artère mais de la veine porte hépatique, chargée de tout ce qui vient d'être absorbé par l'intestin. Le foie a un droit de regard sur chaque repas.

À l'intérieur, le tissu s'organise en lobules, des unités à peu près hexagonales d'environ un millimètre de large. Des travées de cellules hépatiques, les hépatocytes, rayonnent autour d'une veine centrale comme les rayons d'une roue, tandis que le sang s'infiltre entre elles par des canaux poreux, les sinusoïdes. Chaque hépatocyte est un ouvrier d'une polyvalence remarquable. Les manuels énumèrent des centaines de tâches distinctes, mais elles se regroupent en quelques grands métiers.

Le foie est une réserve d'énergie : après un repas, il stocke le glucose sous forme de glycogène, environ 100 grammes, et le libère entre les repas. En 1857, le physiologiste français Claude Bernard montra que le foie fabrique lui-même du sucre, une découverte qui aida à fonder l'idée d'un milieu intérieur stable. C'est une usine qui produit l'albumine, la principale protéine du plasma, la plupart des facteurs de coagulation et du cholestérol. C'est un épurateur : il transforme l'ammoniac toxique issu de la dégradation des protéines en urée, que les reins éliminent, et décompose l'alcool et de nombreux médicaments. Il fabrique la bile, d'un demi-litre à un litre par jour environ, qui aide à digérer les graisses et emporte des déchets comme la bilirubine, le pigment jaune laissé par les globules rouges usés. Enfin, il sert de garde-manger et de sentinelle : il stocke le fer et les vitamines A, D et B12, tandis que des cellules immunitaires spécialisées, les cellules de Kupffer, capturent les bactéries venues de l'intestin.

Le saviez-vous ? Le foie peut retrouver sa taille complète à partir d'à peine un quart de sa masse, ce qui permet à un donneur vivant d'en céder une partie.

Le foie dégrade l'alcool à un rythme à peu près fixe : ni le café, ni la douche froide, ni la marche rapide ne dessoûlent personne ; seul le temps le fait. Des agressions répétées par l'alcool, une hépatite virale ou l'accumulation de graisse dans les cellules peuvent laisser le foie cicatrisé et durci, c'est la cirrhose, et ses multiples fonctions commencent à défaillir. Quand il ne parvient plus à éliminer la bilirubine, le pigment s'accumule et jaunit la peau et le blanc des yeux : c'est la jaunisse. Le même pigment, dégradé dans un bleu, explique pourquoi les ecchymoses virent au jaune verdâtre en s'estompant. Discrètement, avec son kilo et demi, le foie est l'organe le plus affairé auquel on ne pense jamais.

Le pancréas et la glycémie

Le pancréas est une glande molle et rosée d'environ 15 centimètres, couchée en travers du fond de l'abdomen, derrière l'estomac. Sa large tête se niche dans la courbe en C du duodénum, et son corps puis sa queue effilée s'étendent jusqu'à la rate. Ce sont en réalité deux organes en un. Environ 98 % de la glande est du tissu exocrine, qui produit 1 à 1,5 litre de suc pancréatique par jour, riche en bicarbonate pour neutraliser l'acide gastrique et en enzymes qui digèrent l'amidon, les graisses et les protéines, le tout acheminé par un canal jusqu'au duodénum.

Éparpillés dans la glande comme des îles dans la mer, environ un million de minuscules amas de cellules hormonales forment les îlots de Langerhans, du nom de l'étudiant allemand Paul Langerhans qui les décrivit en 1869 sans savoir à quoi ils servaient. Ensemble, ils ne représentent que 1 ou 2 % de la glande, mais ils contrôlent l'approvisionnement en carburant du corps. Leurs cellules bêta fabriquent l'insuline ; leurs cellules alpha, le glucagon.

À elles deux, ces hormones maintiennent le glucose sanguin dans une bande étroite, en général autour de 4 à 6 millimoles par litre à jeun, un peu plus après les repas. Quand vous mangez et que le sucre afflue de l'intestin, les cellules bêta perçoivent la hausse et libèrent de l'insuline. L'insuline agit comme une clé : elle permet aux cellules musculaires et adipeuses de faire entrer le glucose, et ordonne au foie de cesser d'en libérer et de stocker l'excédent sous forme de glycogène. Quand le taux redescend, la sécrétion d'insuline ralentit. Entre les repas ou pendant l'effort, quand le glucose baisse, les cellules alpha libèrent du glucagon, qui commande au foie de dégrader le glycogène et de reverser du glucose dans le sang. C'est une boucle de rétroaction négative classique, qui travaille minute après minute à votre insu.

Le saviez-vous ? Tout le glucose dissous à un instant donné dans le sang d'un adulte ne pèse qu'environ 4 ou 5 grammes, à peu près une cuillerée à café de sucre.

Quand cette boucle se rompt, c'est le diabète. Dans le diabète de type 1, le système immunitaire détruit les cellules bêta, si bien que presque aucune insuline n'est produite ; dans le type 2, bien plus fréquent, les cellules répondent mal à l'insuline et les cellules bêta n'arrivent plus à suivre. Avant 1922, le diabète de type 1 était une condamnation à mort. Puis à Toronto, Frederick Banting et Charles Best, dans le laboratoire de John Macleod, extrairent l'insuline du pancréas de chiens, et le biochimiste James Collip la purifia. En janvier 1922, un garçon de 14 ans, Leonard Thompson, devint le premier patient traité, et l'année suivante Banting et Macleod partagèrent le prix Nobel.

Cette boucle explique une sensation familière : pourquoi on peut sauter le déjeuner sans s'effondrer. Pendant que l'estomac proteste, le glucagon puise discrètement dans les réserves du foie pour alimenter le cerveau. Une glande que peu de gens sauraient situer équilibre votre carburant à chaque instant de la journée.

Le gros intestin

Le gros intestin est plus court que l'intestin grêle mais bien plus large : environ 1,5 mètre de long et jusqu'à 6 ou 7 centimètres de diamètre. Il forme un cadre autour des anses de l'intestin grêle. Il commence en bas à droite par un cul-de-sac, le cæcum, d'où pend l'appendice vermiforme, long en général de 8 à 10 centimètres. De là, le côlon ascendant remonte le côté droit de l'abdomen, le côlon transverse passe sous l'estomac, le côlon descendant longe le côté gauche, et le côlon sigmoïde, en forme de S, mène au rectum puis au canal anal. Trois rubans musculaires le long de sa paroi, les bandelettes coliques, la froncent en une chaîne de poches appelées haustrations, qui donnent au côlon son aspect plissé.

Quand la nourriture y arrive, presque tous les nutriments ont disparu. Ce qui franchit la valvule iléo-cæcale, environ 1 à 1,5 litre par jour, est surtout de l'eau, des sels, des fibres et des cellules mortes. La tâche principale du côlon est de récupérer l'eau et le sel, si bien que seuls 100 à 200 millilitres d'eau environ quittent le corps avec les selles. Il travaille lentement. Le contenu met en général un à deux jours à le traverser, brassé d'avant en arrière par les haustrations puis poussé par quelques mouvements de masse puissants chaque jour. Le côlon abrite aussi la grande foule des bactéries intestinales, qui fermentent les fibres restantes et produisent des gaz, sujet du chapitre suivant.

L'étape finale est contrôlée. Quand un mouvement de masse remplit le rectum, des capteurs d'étirement déclenchent l'envie. Deux anneaux musculaires gardent la sortie : un sphincter interne qui s'ouvre par réflexe, et un externe que l'on peut serrer à volonté, ce qui explique qu'on puisse, dans certaines limites, différer l'envie. Les selles sont composées d'eau aux trois quarts ; une grande part du reste est faite de bactéries, vivantes ou mortes, de fibres non digérées et de cellules desquamées de la paroi.

Le saviez-vous ? L'appendice, longtemps tenu pour un vestige inutile, regorge de tissu immunitaire, et de nombreux chercheurs pensent qu'il pourrait servir de réserve de bactéries pour recoloniser le côlon après une maladie.

Au début des années 1970, le chirurgien irlandais Denis Burkitt compara le poids des selles et la durée du transit en Afrique rurale et en Grande-Bretagne, et soutint que les régimes occidentaux pauvres en fibres étaient liés à la constipation et aux maladies intestinales. Les détails restent débattus, mais ses travaux ont fait connaître les fibres. Quand le côlon se dérègle, les déchets avancent trop lentement, c'est la constipation, ou trop vite pour que l'eau soit récupérée, c'est la diarrhée. Chez les personnes âgées, de petites poches appelées diverticules peuvent faire hernie à travers la paroi, et le cancer colorectal est assez fréquent pour que de nombreux pays organisent un dépistage.

Le rythme du côlon est familier à quiconque a eu besoin d'aller aux toilettes juste après le petit-déjeuner. C'est le réflexe gastrocolique : l'arrivée d'aliments dans l'estomac déclenche un mouvement de masse plus bas, pour faire de la place à ce qui suit.

Le microbiote intestinal

Votre intestin abrite des milliers de milliards de micro-organismes, appelés ensemble le microbiote intestinal : surtout des bactéries, mais aussi des archées, des champignons et des virus. Une estimation de 2016, très citée, en compte environ 38 000 milliards chez un adulte moyen, pesant à peu près 200 grammes, le poids d'une pomme. Une personne héberge typiquement quelques centaines d'espèces, et le mélange de chaque intestin est un peu différent, telle une empreinte digitale qui évolue avec l'alimentation, l'âge et les médicaments.

Cette foule est loin d'être répartie également. L'estomac acide n'héberge que très peu de microbes, peut-être un millier par millilitre de contenu. Leur nombre grimpe le long de l'intestin grêle et explose dans le côlon, lent et dépourvu d'oxygène, où il atteint quelque chose comme 100 milliards par gramme, l'une des communautés microbiennes les plus denses de la planète. La plupart sont des anaérobies, des organismes qui ne supportent pas l'oxygène, une des raisons pour lesquelles tant d'entre eux sont passés inaperçus jusqu'à ce qu'on les identifie par leur ADN.

Ils paient leur loyer. Nos propres enzymes ne digèrent pas la plupart des fibres alimentaires, mais les bactéries intestinales savent les fermenter, libérant des acides gras à chaîne courte comme le butyrate, l'un des principaux carburants des cellules qui tapissent le côlon. Certaines bactéries fabriquent de la vitamine K et plusieurs vitamines B. La communauté résidente éduque le système immunitaire dès la petite enfance, et elle évince les nouveaux venus nuisibles simplement en occupant la place et en mangeant la nourriture la première. La fermentation produit aussi des gaz, surtout de l'hydrogène, du dioxyde de carbone et, chez certains, du méthane : voilà pourquoi une assiette de haricots a l'effet qu'on lui connaît.

Le saviez-vous ? L'idée que les bactéries seraient dix fois plus nombreuses que nos propres cellules venait d'une estimation grossière des années 1970 ; un comptage minutieux en 2016 a ramené le rapport à environ un pour un.

Nous avons trouvé le premier de ces résidents en 1885, quand le pédiatre allemand Theodor Escherich isola une bactérie dans les couches de nourrissons ; elle porte aujourd'hui son nom, Escherichia coli. L'intestin du bébé est colonisé dès la naissance, par la mère, l'environnement et les premières tétées, et la communauté prend un profil proche de celui de l'adulte en quelques années. Le séquençage génétique moderne, démultiplié par des programmes comme le Projet microbiome humain lancé en 2007, a révélé l'ampleur réelle de cette foule.

Perturber la communauté a des conséquences. Un traitement antibiotique peut l'appauvrir et laisser une espèce nuisible, Clostridioides difficile, prendre le dessus et provoquer de graves diarrhées. Fait remarquable, une transplantation de microbiote fécal, qui restaure une communauté saine à partir des selles d'un donneur, guérit la plupart de ces infections récidivantes. Les chercheurs étudient des liens entre le microbiote et des affections allant de l'obésité aux maladies inflammatoires de l'intestin, mais beaucoup de gros titres devancent les preuves, et la cause et l'effet restent souvent flous. Une chose est certaine : vous ne mangez jamais seul, chaque repas nourrit aussi des milliers de milliards d'invités.

Le métabolisme : brûler le carburant

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques du corps. Certaines construisent, comme l'assemblage des protéines à partir d'acides aminés : c'est l'anabolisme ; d'autres dégradent pour libérer de l'énergie : c'est le catabolisme. La nourriture fournit le carburant, mais les cellules ne savent pas utiliser un sandwich tel quel. Il leur faut un petit transporteur d'énergie rechargeable, l'adénosine triphosphate, ou ATP. En détacher un groupe phosphate libère un paquet d'énergie qui alimente la contraction musculaire, l'influx nerveux et la construction de nouvelles molécules. Le corps n'en garde qu'une quantité modeste à un instant donné, si bien que chaque molécule est recyclée sans cesse ; un adulte renouvelle chaque jour à peu près son propre poids en ATP.

La voie principale part du glucose. Dans le cytoplasme aqueux de la cellule, une séquence de dix étapes, la glycolyse, coupe chaque glucose à six carbones en deux molécules de pyruvate et rapporte deux ATP. Le pyruvate entre ensuite dans les mitochondries, les centrales énergétiques de la cellule, où il devient une unité à deux carbones, l'acétyl-coenzyme A. Celle-ci alimente le cycle de Krebs, un anneau de réactions élucidé en 1937 à Sheffield par le biochimiste d'origine allemande Hans Krebs, qui arrache les atomes de carbone sous forme de dioxyde de carbone et charge des électrons énergétiques sur des molécules transporteuses.

Ces électrons descendent la chaîne respiratoire, une série de protéines nichées dans la membrane interne plissée de la mitochondrie. En circulant, ils pompent des protons à travers la membrane, et les protons refluent par un minuscule moteur rotatif, l'ATP synthase, qui fabrique l'ATP. Au bout de la chaîne, les électrons se combinent à l'oxygène pour former de l'eau. Voilà pourquoi on respire : l'oxygène est l'ultime receveur des électrons, et sans lui la chaîne s'arrête. Entièrement brûlée, une molécule de glucose donne environ 30 à 32 ATP. Les graisses entrent dans le même cycle après avoir été découpées en tronçons à deux carbones, et fournissent environ 9 kilocalories par gramme contre près de 4 pour les glucides ou les protéines. Les protéines peuvent aussi être brûlées, une fois leur azote retiré.

Le saviez-vous ? Quand on perd de la graisse, l'essentiel de sa masse quitte le corps sous forme de dioxyde de carbone expiré ; le reste part sous forme d'eau.

L'idée que les êtres vivants brûlent leur nourriture est plus ancienne que la biochimie. Au début des années 1780, Antoine Lavoisier et Pierre-Simon Laplace placèrent un cochon d'Inde dans un calorimètre à glace, mesurèrent la quantité de glace fondue par la chaleur de son corps et la comparèrent au dioxyde de carbone qu'il expirait. La respiration, conclurent-ils, est une combustion lente. Au repos, un adulte dépense environ 1 400 à 1 800 kilocalories par jour rien que pour rester en vie, et le cerveau, environ 2 % du poids du corps, en prend près d'un cinquième. L'essentiel de l'énergie finit en chaleur, qui vous maintient à 37 °C, et quand la machinerie est défaillante, comme dans des maladies héréditaires telles que la phénylcétonurie, une seule étape bloquée peut être grave. Chaque fois que vous vous réchauffez en courant, vous sentez la chaudière.

Vitamines et minéraux

Outre le carburant et les matériaux de construction, le corps a besoin de substances en quantités infimes, mesurées en milligrammes, voire en microgrammes par jour. Ces micronutriments forment deux groupes. Les vitamines sont des molécules organiques que le corps ne sait pas fabriquer en quantité suffisante et qu'il doit trouver dans l'alimentation ; les minéraux sont des éléments chimiques, tirés des aliments et de l'eau, qui entrent dans la composition des os, du sang et de la machinerie cellulaire.

Il existe 13 vitamines. Quatre sont liposolubles, A, D, E et K : absorbées avec les graisses alimentaires, elles peuvent être stockées dans le foie et le tissu adipeux, si bien qu'une bonne réserve dure des mois. La vitamine A forme le pigment sensible à la lumière de la rétine ; la vitamine D règle l'absorption du calcium ; la vitamine E protège les membranes cellulaires ; la vitamine K est nécessaire à la fabrication des facteurs de coagulation, et une partie est fournie par les bactéries intestinales. Les neuf autres sont hydrosolubles : la vitamine C et huit vitamines B, qui servent surtout d'auxiliaires aux enzymes du métabolisme. Elles sont mal stockées, sauf la B12, et l'excédent part généralement dans l'urine : il en faut donc régulièrement.

Les minéraux se divisent en macroéléments, nécessaires à raison de plus de 100 milligrammes environ par jour, et en oligoéléments. Le corps d'un adulte contient environ un kilogramme de calcium, à 99 % dans les os et les dents, ainsi que du phosphore, du magnésium, et le sodium et le potassium qui portent chaque influx nerveux. Les oligoéléments sont requis en quantités bien moindres mais tout aussi indispensables : les 3 à 4 grammes de fer du corps, surtout dans l'hémoglobine, transportent l'oxygène ; l'iode entre dans les hormones thyroïdiennes ; le zinc et le sélénium aident des centaines d'enzymes à fonctionner.

L'idée d'un nutriment dont on pourrait manquer s'est imposée lentement. En 1747, le chirurgien naval écossais James Lind administra différents remèdes à des marins atteints de scorbut à bord du HMS Salisbury, et ceux qui reçurent oranges et citrons guérirent le plus vite, l'un des premiers essais contrôlés. La cause, un manque de vitamine C, indispensable à la fabrication du collagène, ne fut établie qu'au XXe siècle. En 1912, le biochimiste polonais Kazimierz Funk forgea le mot « vitamine », croyant que ces facteurs étaient tous des « amines vitales ». Ils ne le sont pas, mais le mot est resté.

Le saviez-vous ? Le foie d'ours polaire contient tant de vitamine A qu'en manger même une petite portion peut empoisonner un être humain, un danger que les explorateurs de l'Arctique ont appris à leurs dépens.

Les carences produisent des maladies classiques : trop peu de vitamine D et de calcium ramollit les os en croissance, c'est le rachitisme ; trop peu de fer provoque l'anémie ; trop peu d'iode fait gonfler la thyroïde en goitre. L'excès peut aussi nuire, surtout avec les vitamines liposolubles, qui s'accumulent. La peau fabrique la vitamine D au soleil, d'où la baisse des taux pendant les hivers du Nord. Les marins britanniques furent surnommés « limeys » pour le jus d'agrumes qui tenait le scorbut à distance : la plus petite part d'un régime peut décider du sort d'un voyage.

Le cerveau

Le cerveau est un organe mou, d'un gris rosé, qui pèse environ 1,3 à 1,4 kilogramme chez l'adulte, soit à peu près 2 % du poids du corps, avec la consistance d'un tofu ferme. Il flotte dans quelque 150 millilitres de liquide cérébrospinal, un liquide clair qui l'amortit, si bien qu'à l'intérieur du crâne il ne pèse en pratique que quelques dizaines de grammes. L'essentiel de ce que l'on voit est le cerveau proprement dit, ou télencéphale, partagé en deux hémisphères reliés par le corps calleux, un pont d'environ 200 millions de fibres nerveuses. Blotti en dessous, à l'arrière, se trouve le cervelet, et tout en bas le tronc cérébral se prolonge par la moelle épinière.

La couche externe, le cortex cérébral, ne mesure que 2 à 4 millimètres d'épaisseur mais se plisse en circonvolutions et en sillons ; déplié, il couvrirait environ un quart de mètre carré. De profonds sillons divisent chaque hémisphère en quatre lobes. Le lobe frontal planifie, décide et commande les muscles ; le lobe pariétal traite le toucher et le sens de la position des choses ; le lobe temporal gère l'audition, le langage et la mémoire ; le lobe occipital, à l'arrière, est voué à la vision. Le cervelet affine les mouvements et l'équilibre, tandis que le tronc cérébral entretient la respiration, le rythme cardiaque et la déglutition sans que l'on y pense.

Les chiffres donnent le vertige. Le cerveau compte environ 86 milliards de neurones et à peu près autant de cellules de soutien, les cellules gliales. Fait remarquable, quelque 69 milliards de ces neurones sont tassés dans le cervelet, qui ne représente qu'un dixième du volume cérébral. Faire tourner l'ensemble coûte environ 20 % de l'énergie du corps au repos, l'équivalent d'une ampoule faiblarde de 20 watts, alimentée par environ 750 millilitres de sang par minute.

Les lésions ont beaucoup appris aux savants. En 1861, le chirurgien français Paul Broca examina un patient qui ne pouvait prononcer qu'une syllabe, « tan » ; après sa mort, il découvrit une lésion du lobe frontal gauche, première preuve convaincante que certaines facultés ont un siège précis. Les scanners d'aujourd'hui confirment cette leçon et enterrent un mythe tenace : nous n'utilisons pas seulement 10 % de notre cerveau. Au fil d'une journée, presque toutes les régions s'activent.

Le saviez-vous ? Le cerveau ne possède aucun récepteur de la douleur : les chirurgiens peuvent donc opérer certains patients éveillés, qui parlent pendant qu'on cartographie leurs aires du langage.

Quand l'irrigation sanguine fait défaut, les dégâts sont rapides. Lors d'un accident vasculaire cérébral grave, dû à une artère bouchée ou rompue, on estime que 1,9 million de neurones peuvent mourir chaque minute sans traitement, d'où l'importance de la vitesse. Le mal de tête, curieusement, n'est pas une douleur du cerveau lui-même mais des membranes et des vaisseaux qui l'entourent. Un kilo et demi de tissu plissé, et tout ce que vous avez jamais pensé s'y est passé.

Les neurones

Le neurone est une cellule nerveuse conçue pour transmettre une information sous forme de signal électrique. La plupart suivent le même plan. Des dendrites ramifiées, comme les racines d'un arbre, recueillent les messages entrants. Elles convergent vers le corps cellulaire, ou soma, qui abrite le noyau et mesure en général de 4 à 100 micromètres. De ce corps part une longue fibre unique, l'axone, qui emporte le signal et se termine par un bouquet de terminaisons qui le transmettent à d'autres cellules. L'axone peut être étonnamment long : le motoneurone qui commande le gros orteil a son corps cellulaire dans le bas de la moelle épinière et un axone d'environ un mètre qui descend le long de la jambe.

Le signal lui-même est le potentiel d'action. Au repos, l'intérieur du neurone est négatif d'environ 70 millivolts par rapport à l'extérieur, une charge entretenue par des pompes qui expulsent les ions sodium et font entrer les ions potassium. Lorsque les signaux reçus portent la membrane jusqu'à un seuil d'environ moins 55 millivolts, des canaux s'ouvrent d'un coup, le sodium s'engouffre et l'intérieur devient brièvement positif. Des canaux potassiques s'ouvrent ensuite pour rétablir l'équilibre. Le pic dure environ une milliseconde et obéit à la loi du tout ou rien : un neurone ne décharge pas plus fort pour un stimulus plus intense, il décharge plus souvent, jusqu'à plusieurs centaines de fois par seconde.

La vitesse dépend de l'isolation. Beaucoup d'axones sont entourés de myéline, une gaine graisseuse fabriquée par des cellules gliales et interrompue par de minuscules espaces, les nœuds de Ranvier. Le signal saute de nœud en nœud, si bien qu'une grosse fibre myélinisée conduit jusqu'à environ 120 mètres par seconde, alors qu'une fibre fine et nue dépasse à peine 1 mètre par seconde. C'est pourquoi l'on sent le choc vif d'un orteil cogné avant que n'arrive la douleur sourde.

Nous devons ce tableau à deux rivaux. Grâce à une coloration à l'argent inventée par Camillo Golgi, l'anatomiste espagnol Santiago Ramón y Cajal dessina des milliers de neurones dans les années 1880 et 1890 et soutint que chacun est une cellule distincte, et non une partie d'un réseau continu comme le croyait Golgi. Ils partagèrent le prix Nobel en 1906 et se contredirent dans leurs conférences. En 1952, Alan Hodgkin et Andrew Huxley élucidèrent le potentiel d'action grâce à l'axone géant du calmar, large d'environ un demi-millimètre.

Le saviez-vous ? Quand on a « des fourmis dans la jambe », c'est que la pression a écrasé le nerf et ses vaisseaux ; les picotements viennent des neurones qui déchargent de façon désordonnée en se rétablissant.

Lorsque la myéline est attaquée, comme dans la sclérose en plaques, les signaux ralentissent, se brouillent ou s'interrompent, provoquant engourdissement, faiblesse ou vision trouble selon la zone touchée. Chaque neurone établit des milliers de connexions, et ce sont finalement ces modestes étincelles électriques qui deviennent chaque image, chaque mot et chaque décision.

Synapses et neurotransmetteurs

Les neurones ne se touchent presque jamais. Là où l'un transmet un message au suivant se trouve une synapse : l'extrémité renflée d'un axone, un espace appelé fente synaptique, large de seulement 20 à 40 nanomètres environ, et de l'autre côté la membrane réceptrice de la cellule suivante. Dans l'extrémité attendent des centaines de minuscules bulles, les vésicules, chargées chacune de milliers de molécules d'un messager chimique, un neurotransmetteur. Le cerveau humain compterait de l'ordre de 100 000 milliards de synapses, bien plus que d'étoiles dans la Voie lactée.

Le passage du relais prend bien moins d'une milliseconde. Quand un potentiel d'action atteint l'extrémité de l'axone, il ouvre des canaux qui laissent entrer des ions calcium. Le calcium fait fusionner les vésicules avec la membrane, qui déversent leur contenu dans la fente. Le neurotransmetteur traverse et se fixe sur des récepteurs de l'autre côté, comme une clé dans une serrure, ouvrant là des canaux ioniques. Certains neurotransmetteurs rendent la cellule réceptrice plus susceptible de décharger, d'autres moins. Il faut ensuite couper le signal : le neurotransmetteur est rapidement repompé dans l'axone (c'est la recapture), dégradé par des enzymes, ou simplement dispersé.

Le principal accélérateur du cerveau est le glutamate, son principal frein le GABA ; à eux deux, ils assurent la plupart des signaux rapides. L'acétylcholine commande la contraction des muscles squelettiques. La dopamine participe au mouvement, à la motivation et à l'apprentissage par la récompense, tandis que la sérotonine et la noradrénaline règlent l'humeur, l'attention et l'éveil. Fait frappant, environ 90 % de la sérotonine du corps est produite non pas dans le cerveau mais dans l'intestin.

L'idée d'une transmission chimique est née d'un rêve. En 1921, selon son propre récit, le pharmacologue allemand Otto Loewi se réveilla la nuit avec une expérience en tête : il stimula le nerf vague d'un cœur de grenouille, qui ralentit, puis baigna un second cœur dans le liquide, qui ralentit à son tour. Une substance, qu'il nomma Vagusstoff et qui se révéla être l'acétylcholine, avait porté le message. Il partagea le prix Nobel de 1936 avec Henry Dale.

Le saviez-vous ? Loewi rêva d'abord l'expérience, la griffonna et ne put relire ses notes au matin ; le rêve revint la nuit suivante, et cette fois il fila directement au laboratoire.

Parce que les synapses sont l'endroit où l'on règle les signaux, c'est là que beaucoup de choses se dérèglent. Dans la maladie de Parkinson, les neurones à dopamine du mésencéphale meurent, d'où tremblements et lenteur. Dans la myasthénie, le système immunitaire attaque les récepteurs à acétylcholine des muscles, entraînant une faiblesse. Bien des toxines agissent ici : la toxine botulique bloque la libération d'acétylcholine, les agents neurotoxiques empêchent son élimination. Même le café du matin agit sur les synapses en bloquant les récepteurs de l'adénosine, une molécule qui s'accumule pendant l'éveil et donne envie de dormir. La pensée, au fond, est une conversation chimique.

La moelle épinière et les réflexes

La moelle épinière est le grand câble qui relie le cerveau au corps. Elle descend de la base du crâne dans un tunnel formé par les vertèbres, et elle est étonnamment modeste : environ 45 centimètres de long, à peu près l'épaisseur d'un doigt, et seulement quelque 35 grammes. Elle s'arrête au niveau de la première ou de la deuxième vertèbre lombaire, au creux des reins ; plus bas, un faisceau de racines nerveuses continue comme une queue de cheval, d'où son nom, la queue de cheval. Sur toute sa longueur, 31 paires de nerfs spinaux sortent entre les vertèbres vers la peau, les muscles et les organes.

En coupe, la moelle montre un papillon de substance grise, faite de corps de neurones, entouré de substance blanche, des faisceaux d'axones myélinisés qui montent et descendent comme les voies d'une autoroute. Chaque nerf spinal rejoint la moelle par deux racines. La racine dorsale, à l'arrière, apporte les signaux sensitifs ; son renflement, le ganglion spinal, contient les corps des neurones sensitifs. La racine ventrale, à l'avant, emporte les ordres moteurs émis par les cellules des cornes antérieures du papillon.

La moelle n'est pas qu'un câble : elle peut agir seule. Un réflexe est une réponse automatique câblée à travers elle. Quand le médecin frappe le tendon sous la rotule, le muscle de la cuisse s'étire un peu. Des capteurs d'étirement, les fuseaux neuromusculaires, s'activent ; le neurone sensitif porte le signal dans la moelle et se connecte directement à un motoneurone, qui fait contracter ce même muscle : la jambe se détend. Au même moment, un petit neurone intermédiaire relâche les ischio-jambiers, à l'arrière de la cuisse, pour qu'ils ne s'y opposent pas. Avec une seule synapse dans la boucle principale, le coup de pied suit le choc en quelques centièmes de seconde. Le physiologiste britannique Charles Sherrington étudia ces réflexes vers 1900 et inventa le mot « synapse ».

Le saviez-vous ? À la naissance, la moelle descend jusqu'à la troisième vertèbre lombaire environ, mais la colonne osseuse grandit plus que la moelle, si bien que chez l'adulte celle-ci s'arrête vers la première.

Le réflexe de retrait est plus subtil encore. Touchez une casserole brûlante et votre main recule avant que le cerveau n'enregistre la douleur, tandis que la jambe opposée se raidit pour vous garder debout. Les messages parviennent au cerveau un instant plus tard : voilà pourquoi le « aïe » vient après le geste.

Comme tant de trafic y passe, une lésion de la moelle est grave. Elle coupe tout ce qui se trouve sous le niveau atteint : dans le bas du dos, elle peut paralyser les jambes ; au cou, les quatre membres et même la respiration. Les médecins testent les réflexes parce qu'ils révèlent quels segments fonctionnent. Un coup de marteau en caoutchouc, et un câble de 45 centimètres montre ce qu'il sait faire sans demander la permission.

Le système nerveux autonome

L'essentiel de ce qui vous maintient en vie se passe sans votre permission. Le système nerveux autonome est la partie du système nerveux qui pilote automatiquement les organes : rythme cardiaque, pression artérielle, rythme respiratoire, digestion, transpiration, taille des pupilles et vidange de la vessie. Ses commandants siègent dans l'hypothalamus et le tronc cérébral, et ses nerfs atteignent le cœur, les muscles lisses des vaisseaux et de la paroi intestinale, ainsi que les glandes.

Il comporte deux grandes branches qui tirent généralement en sens contraire. Le système nerveux sympathique prépare le corps à l'action : c'est la fameuse réaction de « combat ou fuite » décrite par le physiologiste américain Walter Cannon en 1915. Ses nerfs quittent la moelle entre le thorax et le haut des lombaires et passent par une chaîne de relais, les ganglions sympathiques, alignés comme des perles de chaque côté de la colonne. Leurs terminaisons libèrent surtout de la noradrénaline. Une fois activé, il dilate les pupilles et les bronches, accélère le cœur, envoie le sang vers les muscles, ralentit la digestion et libère du glucose. Il pousse aussi les glandes surrénales à déverser de l'adrénaline dans le sang, histoire racontée dans un autre chapitre.

Le système nerveux parasympathique est la branche du « repos et de la digestion ». Ses fibres partent du tronc cérébral et de la base de la colonne, et ses terminaisons libèrent de l'acétylcholine. Sa vedette est le nerf vague, le nerf « vagabond », qui transporte environ les trois quarts de toutes les fibres parasympathiques du tronc cérébral vers le cœur, les poumons et l'intestin. Il ralentit le cœur, resserre les pupilles, stimule la salive et l'acide gastrique et met l'intestin en mouvement. Une troisième division, le système nerveux entérique, est un réseau de quelque 400 à 600 millions de neurones logés dans la paroi digestive, capable de mener la digestion en grande partie seul.

Les deux branches fonctionnent moins comme un interrupteur que comme deux molettes. Laissé à lui-même, le stimulateur naturel du cœur battrait environ 100 fois par minute ; au repos, le nerf vague exerce un freinage constant qui le maintient plutôt vers 60 à 70. Le physiologiste britannique John Newport Langley baptisa le système « autonome » vers 1898, après avoir repéré ses relais à l'aide de la nicotine.

Le saviez-vous ? Un cœur greffé a perdu ses nerfs : privé du frein vagal, il bat en général plus vite au repos, souvent autour de 90 à 110 fois par minute.

Vous rencontrez les deux branches tous les jours. Avant un discours, la bouche s'assèche et le cœur cogne quand le sympathique prend le dessus ; après un gros repas, on se sent alourdi tandis que le parasympathique s'installe. La chair de poule vient des nerfs sympathiques qui contractent les minuscules muscles à la base de chaque poil. Les choses se gâtent quand l'équilibre bascule : une brusque poussée d'activité vagale peut faire chuter le rythme cardiaque et la pression et provoquer un malaise. Deux branches discrètes, à l'œuvre jour et nuit, pour que vous n'ayez jamais à penser à digérer.

La mémoire

La mémoire n'est pas une chose rangée en un seul endroit. C'est une famille de capacités, chacune avec son échelle de temps et ses régions du cerveau. Le premier étage est la mémoire sensorielle, un bref écho de ce que l'on vient de voir ou d'entendre, qui s'efface en moins d'une seconde, ou en quelques secondes pour les sons. Ce à quoi l'on prête attention passe dans la mémoire de travail, le bloc-notes mental qui retient un numéro de téléphone le temps de le composer. Elle est petite, environ quatre éléments à la fois, et sans répétition son contenu s'évanouit en 20 à 30 secondes.

Tout ce qui est gardé plus longtemps devient mémoire à long terme, dont la capacité n'a pas de limite connue. Elle se divise en deux grandes familles. Les souvenirs explicites sont ceux que l'on peut évoquer et formuler : la mémoire épisodique des événements de notre vie, comme notre dernier anniversaire, et la mémoire sémantique des faits, comme la capitale de la France. Les souvenirs implicites se révèlent dans ce que l'on fait plutôt que dans ce que l'on dit, à commencer par la mémoire procédurale des savoir-faire, comme faire du vélo ou taper au clavier.

Former un souvenir explicite se fait en trois temps. L'encodage transforme une expérience en un motif d'activité dans le cortex. La consolidation le stabilise ensuite, sur des heures ou des années, sous la houlette de l'hippocampe, une structure enroulée d'environ 4 centimètres logée dans chaque lobe temporal, dont le nom évoque le petit animal marin. Une grande partie de la consolidation a lieu pendant le sommeil. Enfin, la récupération fait revenir le souvenir. Point essentiel : se souvenir, c'est reconstruire et non rejouer. Chaque rappel rebâtit l'événement et des détails peuvent changer, ce qui explique que des témoins sûrs d'eux puissent se tromper.

Le patient le plus célèbre des neurosciences a montré comment le système se divise. En 1953, Henry Molaison, longtemps connu sous les initiales H.M., se fit retirer la majeure partie des deux hippocampes pour soigner une épilepsie grave. Ensuite, il pouvait tenir une conversation et se rappeler son enfance, mais il ne formait plus de nouveaux souvenirs explicites : les personnes rencontrées redevenaient des inconnues quelques minutes plus tard. La psychologue Brenda Milner montra qu'il pouvait pourtant acquérir de nouveaux savoir-faire.

Le saviez-vous ? H.M. progressait jour après jour à dessiner une étoile en ne regardant que son reflet dans un miroir, tout en affirmant chaque fois n'avoir jamais essayé.

Les savoir-faire dépendent surtout des noyaux gris centraux et du cervelet, ce qui explique qu'ils survivent à des lésions qui effacent les événements. Dans la maladie d'Alzheimer, l'hippocampe est l'une des premières régions touchées : les nouveaux souvenirs flanchent d'abord, les anciens persistent. L'oubli lui-même est normal et utile : en 1885, Hermann Ebbinghaus, en apprenant des syllabes sans signification, montra que l'essentiel d'une information nouvelle s'efface en un jour si l'on n'y revient pas. Entrer dans une pièce en oubliant pourquoi, c'est le système qui fonctionne comme prévu : il garde ce qui compte et jette discrètement le reste.

Apprentissage et plasticité

Chaque fois que vous apprenez quelque chose, votre cerveau change physiquement. Cette capacité à se recâbler s'appelle la neuroplasticité, et elle s'exerce surtout au niveau des synapses, les jonctions entre neurones. En 1949, le psychologue canadien Donald Hebb proposa que lorsqu'un neurone contribue de façon répétée à faire décharger un autre, la connexion entre eux se renforce. On résume souvent l'idée par la formule « les neurones qui s'activent ensemble se connectent ensemble », et elle a remarquablement bien résisté.

Le mécanisme fut pris sur le fait en 1973, quand Tim Bliss et Terje Lømo stimulèrent une voie de l'hippocampe du lapin par de brèves salves rapides et constatèrent que la connexion restait renforcée pendant des heures, puis, comme on le montra plus tard, des jours ou davantage. Cette potentialisation à long terme repose sur un récepteur particulier, le récepteur NMDA, qui ne s'ouvre que si la cellule émettrice libère du glutamate alors que la cellule réceptrice est déjà active. L'afflux de calcium qui en résulte pousse la cellule réceptrice à ajouter des récepteurs et, en quelques jours, les minuscules épines dendritiques qui portent les synapses grossissent, se divisent ou poussent de nouveau. Les connexions inutilisées s'affaiblissent et disparaissent. Apprendre, c'est sculpter ce câblage.

La plasticité est maximale dans l'enfance. Chez le nouveau-né, chaque neurone du cortex porterait environ 2 500 synapses ; vers deux ou trois ans, on cite souvent le chiffre de 15 000, bien plus qu'un adulte n'en conserve. Pendant l'enfance et l'adolescence, le cerveau élague les connexions inutilisées, tandis que la myéline isolante s'ajoute, les lobes frontaux en dernier, jusqu'au milieu de la vingtaine. Il existe aussi des périodes critiques pendant lesquelles certains circuits doivent être façonnés par l'expérience. Dans les années 1960, David Hubel et Torsten Wiesel montrèrent que si l'on gardait fermé un œil d'un chaton tôt dans sa vie, le cortex visuel se recâblait définitivement au profit de l'autre œil, travaux couronnés par le prix Nobel en 1981.

Le saviez-vous ? Les chauffeurs de taxi londoniens, qui passent des années à mémoriser quelque 25 000 rues, présentaient selon une étude de 2000 une partie arrière de l'hippocampe plus volumineuse que des personnes comparables.

Le cerveau adulte reste plastique, de façon moins spectaculaire. Chez des personnes qui apprennent à jongler, on mesure en quelques mois des changements de substance grise dans les aires qui perçoivent le mouvement. Après un accident vasculaire cérébral, des régions voisines peuvent reprendre certaines fonctions perdues, principe même de la rééducation. La question de savoir si l'adulte fabrique beaucoup de nouveaux neurones dans l'hippocampe reste débattue. Quand la plasticité s'égare, comme chez un enfant dont l'œil paresseux n'est pas traité, le cerveau peut apprendre à ignorer une entrée, et la fenêtre de correction complète se referme avec l'âge.

Les leçons pratiques découlent de la biologie : des séances espacées valent mieux que le bachotage, car chacune réactive et renforce les mêmes connexions ; le sommeil aide à fixer l'acquis ; et la difficulté compte plus que la simple répétition. Le cerveau que vous aurez demain dépend un peu de ce que vous faites aujourd'hui.

Les émotions

Une émotion est plus qu'un sentiment. La peur, par exemple, comporte trois volets qui agissent ensemble : un jugement éclair selon lequel quelque chose compte, une vague de changements corporels et l'expérience consciente que l'on appelle avoir peur. L'ordre dans lequel ils surviennent fait débat depuis plus d'un siècle. En 1884, le psychologue américain William James suggéra que nous ne tremblons pas parce que nous avons peur, mais que nous avons peur parce que nous tremblons. Walter Cannon objecta que le corps réagit trop lentement et de façon trop uniforme pour cela. Aujourd'hui, la plupart des chercheurs voient une boucle dans laquelle le corps et le cerveau s'informent sans cesse.

Les régions concernées étaient autrefois regroupées sous le nom de système limbique, un anneau de structures autour du tronc cérébral. Son membre clé est l'amygdale, un amas de neurones en forme d'amande, long d'environ 1,5 centimètre, logé au fond de chaque lobe temporal. Elle joue le rôle de détecteur de menaces : elle reçoit une copie rapide et grossière des signaux sensoriels directement du thalamus, la gare de triage du cerveau, et peut ainsi déclencher l'alarme avant que le cortex n'ait compris ce que l'on regarde. Voilà pourquoi on peut bondir en arrière devant un tuyau d'arrosage enroulé avant de comprendre que ce n'est pas un serpent.

L'amygdale fait alors appel à l'hypothalamus, qui commande le système nerveux autonome et les hormones du stress : le cœur qui cogne, la bouche sèche, l'estomac noué quand le sang quitte l'intestin. L'hippocampe voisin associe l'émotion au souvenir du lieu et du moment, ce qui explique que les événements chargés d'émotion restent si nets. L'insula, un repli de cortex enfoui en profondeur, lit l'état du corps et s'active surtout dans le dégoût. Enfin, le cortex préfrontal, derrière le front, peut tenir tout cela en bride et réinterpréter une situation, de sorte qu'un cœur battant devienne de l'excitation plutôt que de l'effroi.

L'universalité des émotions reste discutée. En 1872, Charles Darwin soutint dans L'Expression des émotions chez l'homme et les animaux que les expressions du visage sont héritées, et les travaux ultérieurs de Paul Ekman suggérèrent que six expressions de base sont reconnues d'une culture à l'autre : la joie, la tristesse, la peur, la colère, la surprise et le dégoût. D'autres estiment que chaque cerveau et chaque culture construisent les émotions à partir d'ingrédients plus élémentaires.

Le saviez-vous ? Un sourire sincère mobilise un muscle autour des yeux que la plupart des gens ne savent pas contracter à volonté ; le neurologue français Guillaume Duchenne l'a décrit en 1862, et ce sourire porte toujours son nom.

Les patients montrent comment les rôles se répartissent. Une femme connue sous les initiales S.M., dont une maladie rare a détruit les deux amygdales, est étudiée depuis des décennies parce qu'elle semble incapable d'avoir peur et s'approche des serpents et des araignées avec curiosité. Quand les circuits émotionnels s'emballent ou restent bloqués, il peut en résulter des troubles anxieux ou une dépression. Un rougissement, une gorge serrée, un sursaut dans l'escalier : chacun est l'œuvre de cette équipe, plus rapide que les mots.

Le sommeil

Le sommeil n'est pas l'extinction du cerveau, mais un changement de régime. Au cours d'une nuit ordinaire, l'adulte traverse quatre à six cycles de sommeil d'environ 90 minutes chacun, descendant vers des stades de plus en plus profonds avant de remonter vers le rêve. L'enregistrement de l'activité électrique du cerveau, l'électroencéphalogramme ou EEG, mis au point par le psychiatre allemand Hans Berger dans les années 1920, révèle ces stades sous forme de rythmes d'ondes différents.

En s'endormant, on entre dans le stade N1, quelques minutes de sommeil léger où les muscles se relâchent et où l'on peut ressentir la brusque secousse d'un sursaut d'endormissement. Vient ensuite le stade N2, marqué par des bouffées d'activité appelées fuseaux du sommeil ; il occupe environ la moitié de la nuit. Puis arrive le stade N3, ou sommeil lent profond : de grandes ondes lentes, les ondes delta, balaient le cortex, la respiration et le cœur ralentissent et l'hormone de croissance est libérée. C'est le sommeil le plus profond, celui dont on se réveille le plus difficilement, et il se concentre dans la première moitié de la nuit. Enfin survient le sommeil paradoxal, ou sommeil REM, du nom anglais des mouvements oculaires rapides qui l'accompagnent. Le cerveau devient presque aussi actif qu'à l'éveil et la plupart des rêves intenses surviennent, alors que les muscles des membres sont activement paralysés. Ces phases s'allongent vers le matin et représentent environ un cinquième à un quart de la nuit.

Le sommeil paradoxal fut découvert en 1953 à l'université de Chicago, quand l'étudiant Eugene Aserinsky et son directeur Nathaniel Kleitman remarquèrent les mouvements oculaires saccadés de dormeurs volontaires, dont le jeune fils d'Aserinsky. Depuis, on a compris que le sommeil travaille vraiment. Il aide à consolider les souvenirs en rejouant les expériences du jour dans l'hippocampe et le cortex. Des études chez la souris suggèrent que pendant le sommeil profond, les espaces remplis de liquide autour des cellules cérébrales s'élargissent et que les déchets sont évacués plus efficacement.

Le besoin de dormir monte au fil de la journée à mesure que s'accumule dans le cerveau une molécule, l'adénosine, qui se combine avec l'horloge biologique réglant l'heure de la somnolence. La plupart des adultes ont besoin d'environ 7 à 9 heures. En 1964, un Californien de 17 ans, Randy Gardner, resta éveillé environ 264 heures, soit près de 11 jours, et finit par peiner à parler, à se souvenir et à garder son humeur.

Le saviez-vous ? Pendant le sommeil paradoxal, seuls les yeux et les muscles respiratoires échappent à la paralysie ; se réveiller brièvement pendant qu'elle persiste provoque la paralysie du sommeil, l'angoissante impression de ne plus pouvoir bouger.

Quand le système se dérègle, les effets sont nets. Dans l'apnée du sommeil, la gorge s'affaisse à répétition et la respiration s'arrête ; dans la narcolepsie, la perte des neurones qui fabriquent l'orexine, une substance de l'éveil, laisse le sommeil paradoxal envahir la journée. Le somnambulisme survient en sommeil profond N3, pas pendant les rêves. Chaque nuit, sans le moindre effort de votre part, le cerveau baisse les lumières et s'occupe du ménage.

La conscience

La conscience est la seule chose que tout le monde éprouve et que personne n'a entièrement expliquée. Médecins et neuroscientifiques trouvent utile d'en distinguer deux aspects. Le premier est le niveau, ou éveil : les yeux sont-ils ouverts, le cerveau est-il activé ? Il dépend d'un réseau du tronc cérébral, la formation réticulée activatrice, qui se projette à travers le thalamus, le grand relais central du cerveau, jusqu'au cortex. Le second est le contenu, ou la conscience proprement dite : ce que l'on vit réellement, qui dépend d'un riche trafic dans les deux sens entre le thalamus et de vastes régions du cortex.

Croiser ces deux axes permet de cartographier les états de l'esprit. La vie éveillée normale est haut placée sur les deux. Dans le sommeil profond et l'anesthésie générale, les deux baissent ensemble. Dans le sommeil paradoxal, l'éveil est bas mais la conscience, sous forme de rêves, revient. Dans le coma, les deux sont absents : les yeux restent fermés et la personne ne peut être réveillée. Plus troublant encore est l'état végétatif, aujourd'hui souvent appelé état d'éveil non répondant, où la personne ouvre les yeux et alterne veille et sommeil sans montrer aucun signe de conscience. Les médecins évaluent la réactivité avec l'échelle de Glasgow, introduite en 1974, qui note les réponses oculaire, verbale et motrice de 3 à 15.

Ces catégories ne sont pas toujours ce qu'elles semblent. En 2006, une équipe dirigée par le neuroscientifique britannique Adrian Owen demanda à une jeune femme en apparent état végétatif, allongée dans un scanner, d'imaginer qu'elle jouait au tennis. Une aire de planification du mouvement s'alluma dans son cerveau, exactement comme chez des volontaires en bonne santé, ce qui suggérait qu'elle comprenait. Dans le syndrome d'enfermement, une lésion du tronc cérébral paralyse presque tout le corps mais laisse la conscience intacte.

Le saviez-vous ? Le journaliste français Jean-Dominique Bauby, enfermé dans son corps après un accident vasculaire en 1995, a écrit Le Scaphandre et le Papillon en clignant de la paupière gauche pendant qu'une assistante récitait l'alphabet.

Les expériences montrent tout ce qui se passe hors de la conscience. Chez des patients au cerveau divisé, dont le corps calleux avait été sectionné pour traiter l'épilepsie, Roger Sperry et Michael Gazzaniga découvrirent dans les années 1960 que chaque hémisphère pouvait savoir des choses que l'autre ignorait. Dans une célèbre étude de 1999, environ la moitié des spectateurs occupés à compter des passes de basket ne remarquèrent pas une personne déguisée en gorille traversant la scène. Et quand on parcourt en voiture un trajet familier sans aucun souvenir du chemin, le cerveau a géré la route pendant que l'attention était ailleurs.

Comment l'activité électrique devient expérience reste une question ouverte. Certaines théories proposent qu'une information devient consciente lorsqu'elle est diffusée dans un « espace de travail global » du cerveau ; d'autres la rattachent au degré d'intégration de l'information. Le philosophe David Chalmers a parlé du « problème difficile ». Quelle que soit la réponse, c'est l'objet même de la question qui s'y attelle.

L'œil

Le globe oculaire est une sphère légèrement aplatie d'environ 24 millimètres de diamètre, pesant à peu près 7 grammes, calée dans la graisse au fond de l'orbite et pilotée par six petits muscles. Sa tunique externe, blanche et résistante, est la sclérotique ; à l'avant, elle devient la cornée, un dôme transparent d'environ un demi-millimètre d'épaisseur, totalement dépourvu de vaisseaux sanguins. Derrière la cornée se trouve l'iris coloré, un anneau musculaire percé d'un orifice, la pupille, puis le cristallin. Une gelée claire, l'humeur vitrée, remplit la grande chambre arrière, dont la paroi est tapissée par la rétine, la fine membrane sensible à la lumière qui voit réellement.

La lumière traverse l'œil dans un ordre strict. La cornée bombée assure environ les deux tiers de la mise au point. L'iris règle le diamètre de la pupille entre 2 et 8 millimètres environ, comme le diaphragme d'un appareil photo. Le cristallin affine ensuite la netteté en changeant de forme : pour voir de près, le muscle ciliaire se contracte, les fibres qui retiennent le cristallin se relâchent et celui-ci s'arrondit. Il en résulte sur la rétine une image nette, minuscule et inversée, que le cerveau remet à l'endroit sans qu'on lui demande rien.

La rétine ne mesure qu'un quart de millimètre d'épaisseur, mais elle abrite quelque 120 millions de bâtonnets, efficaces en faible lumière mais aveugles aux couleurs, et environ 6 millions de cônes, chargés des couleurs et des détails fins. Les cônes se pressent dans la fovéa, une petite fossette d'environ 1,5 millimètre au centre du regard ; c'est pourquoi on braque les yeux sur ce que l'on veut lire. Curieusement, la rétine est câblée à l'envers : la lumière traverse plusieurs couches de neurones avant d'atteindre les récepteurs. Leurs signaux convergent vers environ un million de fibres qui quittent l'œil par le nerf optique, créant une tache aveugle sans aucun récepteur. On ne la remarque jamais, car le cerveau comble le vide.

Le saviez-vous ? La tache aveugle est assez large pour cacher une dizaine de pleines lunes alignées, et pourtant le cerveau la masque si bien que la plupart des gens ne la découvrent jamais.

Pour le comprendre, il a fallu un saut d'imagination. En 1604, Johannes Kepler affirma que l'œil forme une image inversée sur la rétine, et Christoph Scheiner le confirma peu après en retirant les enveloppes postérieures d'un œil d'animal pour voir apparaître une scène à l'envers.

Quand l'optique se dérègle, l'image tombe au mauvais endroit. Dans la myopie, le globe est trop long et le point focal se forme devant la rétine ; dans l'hypermétropie, il se forme derrière. Vers le milieu de la quarantaine, le cristallin se raidit, ce qui explique pourquoi les menus s'éloignent à bout de bras, et une cataracte peut l'opacifier. Chaque regard est un petit exploit d'ingénierie.