Comment votre cœur et vos poumons travaillent ensemble

En 1616, au Royal College of Physicians de Londres, William Harvey passa un garrot de cuir sur l'avant-bras nu d'un volontaire et appuya sur les veines gonflées. Il démontrait une chose qui paraît presque trop simple pour avoir de l'importance : que le sang veineux ne se déplace que dans une seule direction, vers le cœur et jamais en sens inverse. Faites glisser un doigt le long d'une veine saillante en direction de la main, et le vaisseau reste vide ; le sang ne reflue pas pour le remplir à nouveau. Douze ans plus tard, en 1628, Harvey publia l'argumentation complète à Francfort sous le titre De Motu Cordis (Du mouvement du cœur), et la médecine occidentale n'allait plus jamais être la même.

Ce qui rend cette scène remarquable, c'est ce qu'elle a remplacé. Pendant environ mille cinq cents ans, les médecins instruits avaient cru tout autre chose au sujet du sang, et la discrète expérience de Harvey avec une lanière de cuir suffit à faire basculer l'édifice tout entier. Pour comprendre pourquoi sa démonstration eut tant d'importance, et pour comprendre le système d'organes logé dans votre propre poitrine, il faut commencer par ce que les médecins se sont si longtemps trompés à croire.

Ce que croyaient les médecins avant Harvey

Avant 1628, la médecine européenne fonctionnait sur un modèle hérité du médecin grec Galien, qui avait exercé au deuxième siècle et dont l'autorité resta pour l'essentiel incontestée pendant les mille cinq cents années suivantes. Dans la vision de Galien, le sang n'était pas du tout pompé en boucle. Le foie fabriquait sans cesse du sang neuf à partir des aliments digérés, et ce sang suintait lentement vers l'extérieur à travers le corps en une sorte de marée à sens unique, où les tissus le consommaient comme un feu consume du bois. Le sang était fabriqué, épuisé, puis fabriqué de nouveau. Pour expliquer comment le sang passait du côté droit du cœur au côté gauche, Galien postulait l'existence de pores invisibles dans la paroi musculaire séparant les cavités.

Le coup décisif de Harvey ne fut pas anatomique mais arithmétique. Il estima la quantité de sang que le cœur éjecte à chaque battement et la multiplia par le nombre de battements en une heure, et le total se révéla bien plus grand que ce que le corps pouvait possiblement fabriquer à partir des aliments en un tel laps de temps. Le foie ne pouvait tout simplement pas produire du sang assez vite pour qu'il soit consommé et rejeté à ce rythme. La seule explication qui correspondait aux chiffres était que le même sang devait voyager en boucle fermée, revenant au cœur encore et encore. La démonstration du garrot apporta alors la preuve visible : les valvules des veines ne permettent l'écoulement que dans une seule direction, vers le cœur, exactement comme l'exige un système à recirculation.

Quatre cavités, deux pompes fondues en une seule

L'organe que Harvey décrivait se comprend mieux non pas comme une pompe unique, mais comme deux pompes fondues en un seul bloc de muscle. Le cœur humain possède quatre cavités, et une épaisse paroi musculaire appelée septum interventriculaire descend en son centre, maintenant le côté droit et le côté gauche complètement séparés. Cette séparation est tout l'enjeu, car chaque côté dessert un circuit différent.

Le côté droit du cœur reçoit le sang qui a déjà livré son oxygène au corps et qui est désormais assombri par le dioxyde de carbone. Il pousse ce sang désoxygéné à travers les poumons puis le ramène, une courte boucle appelée circulation pulmonaire. Le côté gauche reçoit le sang fraîchement oxygéné qui revient des poumons et le pousse vers le corps entier, du cerveau jusqu'aux orteils, une boucle bien plus longue appelée circulation systémique. Comme le côté gauche doit propulser le sang à travers tout le corps contre une résistance bien plus grande, sa paroi musculaire est nettement plus épaisse que celle de droite.

Les deux circuits fonctionnent en série, l'un après l'autre, comme deux tours d'un huit qui partagent le cœur pour point de croisement. Chaque goutte de sang traverse les deux, alternant sans fin entre la prise d'oxygène dans les poumons et son dépôt dans les tissus.

Quatre valves et le bruit du battement de cœur

Pour que deux pompes maintiennent le sang en mouvement vers l'avant sans jamais le laisser refluer, le cœur a besoin de valves, et il en possède quatre, chacune étant une porte à sens unique. Deux valves se situent entre les oreillettes (les cavités réceptrices supérieures) et les ventricules (les cavités de pompage inférieures) : la valve tricuspide à droite et la valve mitrale à gauche. Deux autres valves gardent les sorties des ventricules, là où le sang quitte le cœur : la valve pulmonaire, par laquelle le ventricule droit éjecte le sang vers les poumons, et la valve aortique, par laquelle le ventricule gauche éjecte le sang dans l'aorte et le diffuse vers le corps.

Ces quatre valves sont la source du battement de cœur familier que l'on peut entendre au stéthoscope. Le toum-ta rythmé n'est pas le muscle qui se contracte ; c'est le son des valves qui claquent en se fermant. Le premier son, le toum, correspond à la fermeture des valves tricuspide et mitrale au moment où les ventricules commencent à se contracter, et le second son, le ta, à la fermeture des valves pulmonaire et aortique au moment où les ventricules se relâchent. Lorsqu'un médecin ausculte à la recherche d'un souffle au cœur, il guette le doux chuintement du sang qui fuit à contresens à travers une valve qui ne se ferme plus parfaitement.

Suivre une seule goutte à travers les deux circuits

Suivre une seule goutte de sang tout au long de la boucle complète permet de bien saisir l'ensemble de la circulation fermée. Commençons dans l'oreillette droite, où arrive du corps un sang sombre, pauvre en oxygène. Il descend à travers la valve tricuspide dans le ventricule droit, qui se contracte et le pousse à travers la valve pulmonaire et le dirige vers les poumons. Dans les poumons, le sang se charge en oxygène et se débarrasse du dioxyde de carbone, puis revient, désormais rouge vif, vers l'oreillette gauche. De là, il tombe à travers la valve mitrale dans le ventricule gauche, la cavité la plus puissante, qui se contracte avec force et propulse le sang à travers la valve aortique dans l'aorte. Depuis l'aorte, il se ramifie vers le corps entier, livrant de l'oxygène à chaque tissu, avant de refluer, à nouveau sombre, vers l'oreillette droite où le voyage a commencé.

Suivez ce trajet une fois et vous aurez compris la double circulation fermée que Harvey publia en 1628 : cœur droit vers poumons vers cœur gauche vers corps et retour, le même sang recirculant sans fin, exactement comme l'exigeait son arithmétique.

Le cycle d'un seul battement et l'étincelle qui donne le rythme

Chaque battement de cœur n'est pas une simple secousse, mais un cycle coordonné en trois temps. Vient d'abord la systole auriculaire, durant laquelle les deux oreillettes se contractent et complètent le remplissage des ventricules d'une dernière poussée de sang. Puis vient la systole ventriculaire, durant laquelle les ventricules se contractent puissamment et éjectent le sang vers les poumons et le corps. Vient enfin la diastole, la phase de repos, durant laquelle les quatre cavités se relâchent et se remplissent à nouveau, prêtes pour le battement suivant. La synchronisation des valves, s'ouvrant et se fermant tour à tour, est ce qui empêche ce cycle de jamais tourner à l'envers.

Ce qui maintient le rythme régulier est un petit amas de tissu spécialisé dans la paroi de l'oreillette droite appelé nœud sinusal, identifié en 1907 par les anatomistes Arthur Keith et Martin Flack. Le nœud sinusal est le pacemaker naturel du cœur. Il déclenche de lui-même une impulsion électrique, sans aucun signal venant du cerveau, et cette impulsion se propage dans le muscle cardiaque en une onde ordonnée, indiquant aux oreillettes de se contracter d'abord, puis aux ventricules une fraction de seconde plus tard. C'est pourquoi un cœur retiré du corps, ou transplanté chez une autre personne, peut continuer à battre : l'étincelle vient du muscle lui-même.

Trois cents millions de minuscules sacs et l'hémoglobine qui transporte la cargaison

Le cœur n'est que la moitié du partenariat. L'autre moitié, ce sont les deux poumons, où s'effectue l'échange réel des gaz, et l'élégance des poumons réside dans la surface stupéfiante qu'ils logent dans un petit espace. Au plus profond, les voies aériennes se ramifient encore et encore jusqu'à se terminer en sacs aériens microscopiques appelés alvéoles, dont le poumon adulte contient entre 300 et 500 millions. Leur surface combinée atteint environ 70 mètres carrés, à peu près la superficie au sol d'un petit studio, le tout replié dans votre poitrine. La membrane qui sépare l'air d'une alvéole du sang du capillaire qui l'entoure est étonnamment fine, seulement 0,5 à 1 micromètre, ce qui permet à l'oxygène de se glisser dans le sang et au dioxyde de carbone de filer dans l'autre sens.

Une fois l'oxygène passé dans le sang, il lui faut un messager, car il ne se dissout pas bien dans le plasma seul. Ce messager est l'hémoglobine, la protéine riche en fer qui emplit les globules rouges et leur donne leur couleur. Chaque globule rouge transporte environ 270 millions de molécules d'hémoglobine, et chaque molécule est constituée de quatre sous-unités, chacune renfermant un groupe hème capable de fixer une seule molécule d'oxygène. La subtilité est que ces quatre sites coopèrent : lorsque la première molécule d'oxygène se fixe, elle remodèle subtilement la protéine et rend les sites suivants plus aptes à fixer l'oxygène. Cette fixation coopérative explique pourquoi un graphique de la saturation en oxygène de l'hémoglobine en fonction de la pression d'oxygène a une forme en S, ou sigmoïde, plutôt qu'une ligne droite, et cette forme n'est pas une curiosité, car elle permet à l'hémoglobine de capter avidement l'oxygène dans les poumons, où il est abondant, et de le libérer généreusement dans les tissus, où il est rare.

Vingt-cinq mille milliards de messagers et le mythe du sang bleu

L'ampleur de la flotte de livraison est difficile à se représenter. Le corps adulte contient environ 25 mille milliards de globules rouges, soit plus de trois fois le nombre d'étoiles de la galaxie de la Voie lactée, et ils sont sans cesse renouvelés. Chaque cellule est un disque biconcave, creusé des deux côtés comme un minuscule beignet sans le trou, d'environ 7 à 8 micromètres de diamètre, ce qui est juste assez étroit pour lui permettre de se plier et de se faufiler en file indienne dans les plus petits capillaires du corps, en plaquant sa membrane contre la paroi du vaisseau pour que l'oxygène ait la plus courte distance possible à parcourir vers les tissus.

C'est aussi de là que provient l'un des mythes les plus tenaces de l'enfance. On répète couramment aux enfants que les veines transportent du sang bleu, et le dos de votre propre main semble le prouver, puisque les veines y paraissent nettement bleutées. Le sang à l'intérieur, pourtant, n'est pas bleu et ne l'a jamais été. Le sang veineux désoxygéné est d'un rouge plus sombre et plus terne que l'écarlate vif du sang artériel, mais il reste incontestablement rouge. La teinte bleue est une illusion d'optique : la peau et les tissus diffusent et absorbent davantage les longues ondes rouges que les courtes ondes bleues, si bien que la lumière qui rebondit vers votre œil depuis une veine située sous la surface est décalée vers le bleu. Coupez une veine et le sang est rouge, pas bleu.

Pourquoi il vaut la peine de comprendre ce système

Il y a une raison grave pour laquelle cette anatomie a sa place dans tous les programmes. Les maladies cardiovasculaires sont depuis des décennies la première cause de mortalité dans le monde, tuant environ 18 millions de personnes chaque année selon l'Organisation mondiale de la santé. Les crises cardiaques, les accidents vasculaires cérébraux et l'insuffisance cardiaque sont, au fond, des défaillances de ce même partenariat que Harvey cartographia le premier en 1628 : une artère coronaire bouchée, et le muscle cardiaque s'affame ; un vaisseau du cerveau étranglé, et le tissu au-delà meurt ; un cœur devenu trop faible pour maintenir le circuit en mouvement. Comprendre comment le système est censé fonctionner est la première étape pour comprendre comment il se brise.

À retenir

Le cœur et les poumons forment une double circulation fermée, démontrée pour la première fois par William Harvey en 1628 lorsque son arithmétique montra que le corps ne pouvait pas fabriquer le sang assez vite pour que l'ancien modèle à sens unique de Galien soit vrai. Le cœur est constitué de deux pompes fondues en un seul organe, séparées par le septum interventriculaire : le côté droit propulse le sang désoxygéné à travers les poumons dans la circulation pulmonaire, et le côté gauche, à la paroi plus épaisse, propulse le sang oxygéné à travers le corps dans la circulation systémique, quatre valves à sens unique maintenant l'écoulement vers l'avant et produisant le familier toum-ta. Chaque battement enchaîne systole auriculaire, systole ventriculaire et diastole, cadencé par le nœud sinusal qui s'allume de lui-même dans l'oreillette droite. L'échange gazeux se produit à travers 300 à 500 millions d'alvéoles dont la surface combinée rivalise avec celle d'un petit appartement et dont la membrane fait moins d'un micromètre d'épaisseur, et l'oxygène est ensuite acheminé par l'hémoglobine, dotée de quatre sites de fixation coopératifs par molécule, ce qui produit la courbe de saturation sigmoïde qui charge l'oxygène dans les poumons et le décharge dans les tissus. Quelque 25 mille milliards de globules rouges, chacun façonné pour se faufiler en file indienne dans un capillaire, transportent cette cargaison, et bien que le sang veineux paraisse bleu à travers la peau, il n'est jamais que d'un rouge plus sombre. Parce que les maladies cardiovasculaires demeurent le premier tueur au monde avec environ 18 millions de décès par an, il ne s'agit pas d'une anatomie abstraite mais de la description fonctionnelle du système dont dépend votre vie.