Travail de Maturité
Table des matières1.Introduction: : Quelques notions de physique
4.Chez l'homme Les problèmes directement lié à la profondeur
7.prospective 8. Bibliographie: |
Les limites physiologiques de l'apnée
Depuis toujours la mer fascine ...
Afin d'explorer les mystérieux abysses de l'océan et de se laisser émerveiller par le cocktail de couleurs où faune et flore sont mêlées, par la majestuosité d'un squale ou encore par cet étrange et absolu silence, l'homme brave sa condition de mammifère terrestre et se confronte, par nécessité ou par plaisir, à ce milieu qui lui est physiquement hostile. On peut plonger pour aller profond, pour voir des choses ou juste pour se sentir "comme un poisson dans l'eau"; pour évoluer dans ce nouveau milieu avec une liberté qui ne semble être compromise que par nos premiers instincts. Pourtant, le besoin de respirer n'est pas le seul facteur à limiter la durée et la profondeur de notre aventure.
"Es-tu arrivé jusqu'aux sources de la mer, au fond de l' abîme t'es- tu promené ? As tu découvert les portes de la mort. . . " Iahvé dit à Job (Corriol 1996) . Nous avons eu l'idée d'aborder la problématique de notre travail de maturité par cette phrase qui, selon mon collègue et moi même, résume bien l'un des graves problèmes dont souffre la plupart des sports extrêmes dont l'apnée fait incontestablement partie. En effet, aujourd'hui , l 'homme toujours en quête de nouvelles sensations exerce des activités qui, contrairement à autrefois ne font plus l'objet d' occupations indispensables à sa survie. Si celui-ci s'exposait effectivement au danger, c'était uniquement dans le but de pouvoir satisfaire ses biens de première nécessité. Ainsi, si le pêcheur partait chaque matin risquer sa vie sur les flots , c'était pour pouvoir ramener le poisson dont il avait tant besoin pour nourrir lui et sa famille.
Cependant, de nos jours, les hommes se mettent à pratiquer des sports de plus en plus dangereux, de plus en plus extrêmes. Que ce soit en apnée le nombre d'accidents graves ne fait que s'accroître d'année en année, étant donné l'investissement considérable que les compétiteurs doivent mettre en oeuvre pour espérer établir de nouveaux et d'extraordinaires records. Mais à quel
prix ? Pourquoi? L'objet de notre travail n'est pas de déterminer ce qui le pousse à agir de cette manière, mais de savoir jusqu'où il pourra comme ça repousser indéfiniment ses limites.
Tout d'abord, voyons si la profondeur , en apnée, peut avoir des conséquences nuisibles pour le plongeur. Au fur et à mesure de la descente, la pression augmente. Mais celle-ci n'a de répercussions que sur les parties du corps qui contiennent de l'air. Il faut savoir que notre corps est constitué d'environ 65% d'eau, incompressible. On peut donc en déduire que les parties corporelles qui en sont intégralement composées, sont parfaitement insensibles à l'augmentation de pression. Par contre, pour les autres , c'est-à-dire : les poumons; les sinus frontaux et maxilaires; la trompe d' Eustache; l'oreille moyenne; les éventuelles bulles de CO2 contenues à l'intérieur du tube digestif et (très rarement) une infime quantité d'air infiltrée à l'intérieur d'une dent, peuvent être susceptibles de poser des problèmes plus ou moins graves lors d'une plongée.
Avant de nous consacrer à ces parties contenant du gaz, rappelons avant, quelques notions de la physique élémentaire afin de mieux évaluer ce que représente la pression hydrostatique et atmosphérique. L'air constitué d'environ 20% d'oxygène, et 80% d'azote, a une masse de1. 3kg/m3, et l'atmosphère constitué d'air, à cette densité, a une épaisseur de 10km environ. Ainsi, au niveau de la mer (à une altitude 0), on ressent une pression de 1. 3kg/m2 * 10m/s2 * 10. 000m =130. 000 Pa (=Newton/m2). Cependant, étant donné qu'avec l'altitude la composition de l'air change légèrement (elle est moins dense en altitude), on retiendra le chiffre de101325 Pa, ce qui équivaut à 760 mmHg (millimètres de mercure) ou 1 atmosphère. L'unité de mesure qui nous intéresse est le bar qui correspond à 1000 00 Pa ou encore le torr qui est égal à 1. 333 10^2 EPa. On peut donc après calcul, dire que la pression atmosphérique de 101325 Pa est égale à 1, 01325 bar; pour simplifier nous arrondirons à 1 bar.
En ce qui concerne l'eau douce, celle-ci a une masse de 1000kg/m3, et pour l'eau de mer 1030kg/m3. Nous consacrerons plutôt nos calculs à l'eau de mer qui représente en moyenne 97, 2% de la quantité total d'eau présente sur terre (Académie des sciences, 1997). Par conséquent chaque 10 mètres, la pression augmente de 10m * 10m/s2 * 1030 kg/m2=103. 000 Pa , soit environ 1 bar de pression . On peut donc dire que 10 mètres d'eau (salée ou non) représente à elle seule la pression d'une atmosphère.
Ainsi, la descente en apnée qui peut de nos jours très largement dépasser la profondeur de 100 mètres provoque des pressions énormes non négligeable sur les régions physiques contenant un gaz quelqu'il soit. . . (Hériter 2000 chap. "lois physiques), (Ryser, 2001)
Pression partielle :
La pression partielle est la quantité d'un gaz donné (P gaz) en unité de pression. Dans un mélange gazeux, la pression partielle d'un des gaz le constituant, est égale au pourcentage de ce gaz dans le mélange que multiplie la pression absolu du mélange :P gaz = PA x % gaz (PA étant la pression absolue et PA x % le pourcentage de gaz dans le mélange gazeux). Ainsi, calculons par exemple la pression partielle pour chacun des composants de l'air : la pression partielle d'oxygène est P O2 = 0.21 x 760 = 160 mm Hg et la pression partielle de l'azote est de P N2 = 0.79 x 760 = 600 mm Hg. Remarquons, par ailleurs, que la somme des pressions partielles est égale à la pression absolue : on a donc P O2 + P N2 = 600 + 160 mm Hg (sachant que la pression atmosphérique vaut 760 mm Hg), (Hériter 2000 chap. "lois physiques"), (Ryser 2001).
La source des problèmes vient directement de l' influence de cette pression sur les volumes de gaz. Le volume est inversement proportionnel à la pression (loi de Boyle-Mariotte). Considérons la formule suivante: Volume Initial x Pression Initiale = Volume Final x Pression Finale . Ainsi, 1m3 d'air à la surface, qui correspond à 1000 litres d'air, va avoir :
- à 10 mètres de profondeur un volume de 1000l * 1bar / 2bar = 500 litres.
- à 20 mètres un volume de 1000 * 1 /3 =333 litres; à 50 mètres 250 litres ; à 100 mètres de 100 litres soit 10 fois plus petit qu' au départ (Hériter 2000 chap. "lois physiques").
Lorsque l'apnéiste fait plusieurs plongées à la suite, de longues durées, relativement profondes , l'azote s'accumule de plus en plus dans l'organisme, et si le temps de pause entre les plongées n'est pas assez grand, l'azote n'a pas le temps d'être évacué . L'apnéiste effectuera donc la plongée suivante avec une certaine quantité d'azote déjà présente dans l'organisme. Si la quantité d'azote, ainsi accumulée, dépasse un certain seuil limite, l'apnéiste risque l'accident de décompression (appelé dans cette situation " accident de Taravana ")
Dans les compétitions de l'AIDA , il y a plusieurs catégories d'épreuves. L'apnée statique, où le compétiteur a pour but de rester sous l'eau le plus longtemps possible et l'apnée "no limits" qui évalue la profondeur maximum atteinte par les compétiteurs. Ceux-ci peuvent s'aider de poids et de ballons pour descendre et remonter plus rapidement. Ainsi nous avons choisi d'orienter notre travail selon deux axes de recherche principaux:
L'apnée étant une suspension prolongée de la respiration, l'apport vital en oxygène est alors interrompu. Si le laps de temps durant lequel l'organisme peut se priver d'oxygène est dépassé, alors l'apnée devient fatale.
L'apnée se délimite également dans la profondeur, car plus on descend profondément plus la pression absolue augmente . Lorsque celle-ci croit, l'absorption des gaz dans l'organisme et leur toxicité croit également et ce jusqu'à un seuil fatal.
Cette approche se réfère à celle proposée dans le livre intitulé " la plongée en apnée, physiologie et médecine" (Corriol, 1996)
Dans les années 50, époque des premières compétitions de profondeur, les premiers scientifiques commencèrent à se pencher sur la question d'une profondeur maximale. Ils l'estimèrent aux alentours de 40 mètres. Très largement dépassés, ils durent revoir leurs études à plusieurs reprises. En 1996 le professeur Charles Yannick Guezennec (Sercices de santé des armées) affirmera dans l'émission" LA PREUVE PAR CINQ" l'adaptation physiologique "HOMO DELPHINUS" : Il est guère envisageable de dépasser la profondeur de 130 ou 140 mètres". Pourtant le 18 janvier 2000 Francisco "Pipin" Ferreras affichera la profondeur de 162 mètres à Quintana Roo, Cozumel (Mexique). On peut se poser la question de savoir jusqu'où pourra descendre le compétiteur avec sa volonté acharnée de détenir l'unique et magnifique record d'apnée?. . .
Examinons, point par point, les conséquences de la profondeur sur nos régions contenant du gaz:
-Le tube digestif : pour ce qui concerne tout d'abord les bulles de CO2 qui peuvent se trouver à l'intérieur du tube digestif , elles sont susceptibles de provoquer des douleurs lors de la remontée qui s'effectue en apnée durant un laps de temps extrêmement court. En effet, durant la descente, ces bulles diminuent de volume sous l'effet de la pression, et se regroupent pour former des bulles de volume similaire à celles présentes lorsque le plongeur était encore en surface. Cependant, pendant la remontée les bulles de gaz se dilatent pour prendre finalement des volumes nettement supérieurs à ceux de départ, engendrant de brutales douleurs au niveau du colon et libérant des flatulences. D'autre part, l'action de la pression hydrostatique sur l'abdomen du sujet immergé, entraîne un déplacement du diaphragme vers l' arrière du crane. Ce déplacement distend l'estomac et peut , en plus d'accentuer le problème précédent, aggraver le reflux gastro-oesophagien et entraîner des vomissements.
Pour remédier à cela, un régime alimentaire approprié s'impose avant chaque apnée relativement profonde. Par ailleurs, si cette apnée est pratiquée à une très grande profondeur (supérieur à 50 mètres), un lavage des voies digestives (une purge gastrique) permettrait d'exclure totalement le moindre problème de ce genre(Restellini, 2002).
-Une fissure de l'émail dentaire : Un problème relativement rare mais qui peut avoir des conséquences désastreuse (au niveau de la sensation de douleur) peut survenir à cause d'une toute petite quantité d'air installée dans une fissure de l'émail dentaire ou à l'intérieur d'un trou laissé par une carie mal soignée ou mal obturée. En plongée, le temps de pénétration d'air à l'intérieur de la fissure étant indubitablement plus long que le temps d'évacuation qui a lieu durant la remontée (extrêmement brève en apnée), la cavité peut se retrouver en surpression durant cette période. Les conséquences sont d'insupportables douleurs de la pulpe et du nerf dentaire , voire l'éclatement de la dent.
Pour éviter ce type de problème la visite d'un stomatologue ou d'un dentiste est fortement recommandée (surtout pour les gens qui ont un grand nombre de plombages), (Sakiz, 2001).
-Les poumons : Comme nous l'avons dit précédemment dans l'introduction, on pensait du temps des premières plongées en apnée, qu'au-delà de 40 mètres, la cage thoracique serait littéralement écrasée sous l'effet de la pression. On tenait le raisonnement suivant: on prévoyait que si le volume pulmonaire de départ (ce qui correspond à l'inspiration en surface du sujet qui se prépare à plongée) devait être inférieur au volume résiduel qui est d'environ 1, 5litre, il y aurait alors une dépression intra-thoracique qui engendrait la compression de l'abdomen. Et étant donné que le volume total moyen d'une personne relativement entraînée, vaut 7, 5litres, on a donc selon la loi de Boyle-Mariotte que la profondeur maximale vaut 40mètres (7, 55l / 5bar =1, 5litres), (Ferretti 1996).
Cependant, leur théorie avait négligé un certain nombre de paramètres comme notamment Le Transfert Sanguin communément appelé "Bloodshift". Lorsque l'on dépasse alors cette limite théorique, le vide relatif attire, tout d'abord vers le thorax, une partie des viscères abdominaux, qui refoulent le diaphragme vers l'extrémité céphalique. Ce déplacement entraîne un afflux sanguin provenant des gros vaisseaux veineux et de ces viscères vers la circulation pulmonaire. Ce mouvement de fluide sanguin comble donc le vide relatif intra-thoracique.
D'autre part, le risque d'hémorragie alvéolaire par rupture des parois capillaires, à cause de l'accroissement des pressions transmuables, semble faible, car la limite de rupture des parois vasculaires est de l'ordre de 8 * 104Newton/m2, chiffre identique pour l'aorte et les capillaires.
Ainsi, l'élasticité et la solidité des vaisseaux peuvent à eux seuls supporter l'équivalent de 8 mètres cube d'eau (8 * 104 /( 1 * 103 * 10 ) = 8), (Corriol , 1996 "plongée au-delà de la limite théorique").
-Les voies aériennes : Pour ce qui est des sinus, de la trompe d' Eustache et autres voies aériennes (toutes les parties qui composent l'oreille), nous les étudierons de manière commune car ces différentes cavités communiquent entre elles. Si l'on ne veut pas ressentir de douleur ou de graves complications au niveau du tympan principalement, il faut impérativement que le pression de ces voies soient équivalentes à la pression ambiante. Grâce à la méthode de Frenzel (ou éventuellement à celle de Vasalva, un peu moins courante) qui consiste en la fermeture de la glotte et l'ouverture du pharynx, on peut, à tout moment, établir une pression égale à la pression extérieure lors de la descente. A la remontée, ce rééquilibrage devrait théoriquement se faire de manière spontanée. Cette méthode relativement efficace jusqu'à des profondeurs variables et indéterminées empêche une dépression aérienne qui peut entraîner la rupture du tympan ainsi que de graves troubles auditifs. Il faut aussi noter que des infections préalables dans ces régions (sinusite; otite ; rhume etc. ) peuvent obstruer le conduit auditif, ou fragiliser le tympan ce qui a pour effet de rendre plus difficile, voir impossible l'équilibrage des cavités, (Hériter 2000 chap. "L'oreille"); (Richqrdson 1998).
Quant à la parfaite fiabilité de cette méthode; d'après Umberto Pelizzari, apnéiste professionnel, on commencerait à avoir de la difficulté à la pratiquer au-delà d'une profondeur de 80 mètres (Corriol, 1996 p. 50). C'est pourquoi, ce dernier ainsi que les autres apnéistes de l'extrême, pratiquent une autre méthode sans masque qui consiste à remonter la langue contre le palais. Celle-ci se révélerait être nettement plus efficace et demanderait très peu d'efforts , ce qui permet une meilleure économie d'énergie (Lousonna, 1997-2002).
Pour conclure, on peut donc affirmer que les problèmes liés uniquement à la pression
sont, dans le domaine de l'apnée, surmontables. Le seul obstacle à une descente en grande profondeur pourrait être celui de l'équilibrage des voies aériennes. En outre, les scientifiques travaillent à l'heure actuelle sur de multiples procédés pour remédier à ce problème. Le remplissage de ces cavités par un liquide est un projet encore à l'étude, qui en théorie pourrait être parfaitement envisageable. Le port d'oreillettes étanches a déjà été mis au point, même si cette technique n'est pas encore directement conçue pour les plongées particulièrement profondes.
La durée de l'apnée dépend aussi de facteurs extérieurs comme la température de l'eau ou les courants marins qui obligent le plongeur à utiliser davantage d'énergie, soit pour maintenir sa température corporelle de 37 degrés, soit pour maintenir une certaine stabilité. Ces éléments pris de façon qu'ils soient le plus favorable à une apnée de longue durée, permettent en effet au métabolisme une économie d'oxygène et donc une meilleure performance. Ainsi, nous négligerons tout phénomène perturbateurs dans les théories expérimentales qui vont suivre.
-L'apnée volontaire : Paradoxalement, ce n'est pas le manque d'oxygène qui est la première cause du " besoin de respirer ", mais l'excès de CO2 dans le sang. Cet excès active le stimulus CO2 qui agit sur les chémocepteurs lorsque la pression de gaz carbonique est supérieur à 40 torr (ce qui correspond à 1, 33 * 10 -3 bar ou 1, 33 * 102 Pa). Parallèlement, il existe un deuxième stimulus (sensiblement moins efficace) qui , lui, s'active de manière plus brusque par une action réflexe rapide lorsque la pression partielle d' O2 est inférieure à 150 torr. Pour prolonger au maximum la durée d'apnée volontaire , l'hyperventilation permet, entre autre, de supprimer le stimulus CO2. A force d'effectuer une série d'insufflation rapide, ce qui correspond à l'hyperventilation, la pression partielle de CO2 dans le sang baisse. Ainsi, le stimulus réagissant à un taux de CO2 excédant , est trompé (Corriol 1996, mécanisme de rupture de l'apnée, physiologie respiratoire). Par contre, cette méthode n'a quasi aucune influence sur la pression partielle de O2 dans le sang , car d'une part la saturation de l'hémoglobine passe de 97% à 98%, et d'autre part la réserve alvéolaire n'augmente que de 150ml environ (du fait de la pression de O2 qui passe de 100 à 120 torr), ( Corriol, 1996 p. 39 ).
Ce procédé n'est malheureusement pas sans risque , car le stimulus O2 , uniquement, est insuffisant pour rétablir un niveau normal de ventilation à temps. Le risque de syncope est alors plus présent. Par ailleurs, l'hyperventilation peut entraîner certains effets secondaires indésirables sur le système nerveux comme des étourdissements; des fourmillements, des spasmes tétaniques etc. Ces phénomènes se faisant plus intenses en répétant l'hyperventilation à plusieurs reprises. Malgré ces inconvénients, on peut rallonger la durée d'apnée volontaire de 60% en surface ou au repos , et pour un sujet nageant relativement vigoureusement, de 30% à 40% maximum (Corriol, 1996 p. 42 ).
-L'apnée involontaire : Pour ce qui est maintenant de la durée d'apnée involontaire, c'est-à-dire la limite potentielle du corps humain à effectuer une apnée qui dépend uniquement des réserves en O2 emmagasinées à l'intérieur des poumons et dans le sang, et qui néglige tout autre aspect psychique lié au besoin de respirer, nous allons essayer d'établir une durée théorique moyenne d'apnée. Si l'on admet que l'organisme consomme au repos entre 1800 et 2000 calories en 24 heures, soit 1, 25 à 1, 4 calories par minute, et que les combustions entretenues par un litre d'oxygène fournissent environ 4, 8 calories, nous pouvons en déduire que le corps à besoin de 0, 3 litre par minute pour subsister au repos (Corriol, 1996 p. 38, 39 ). Au début d'une apnée, en inspiration forcée, la réserve totale d'oxygène de l'organisme peut être estimée, en moyenne, à deux litres. Nous avons d'une part le volume total des poumons qui vaut 5 litres, et comme l'air est composé à 1/5 d'oxygène, on a donc 1litre de O2 présent dans nos cavités alvéolaires ; d'autre part un autre litre de gaz est fixé dans le sang sous forme d'oxyhémoglobine (plus éventuellement quelques dizaines de millilitres dissous dans le plasma). Cependant, 75% de ce capital est utilisable avant que de graves troubles (comme la perte de conscience) n'apparaissent (Corriol, 1996 p. 36). C'est pourquoi, 7. 2 calories (mises à disposition par 75% de 2 litres, soit 1, 5 litre de O2), sachant que 1, 3 calories correspond à 1 minute de consommation d'énergie par le métabolisme, la durée d'apnée en théorie vaut théoriquement 5, 5 minutes.
Cependant, à l'heure actuelle, le record d'apnée statique (et homologué) est détenu par Andy Le Sauce avec une durée de 7 minutes et 35 secondes (Yorgos Haggi Statti 1997-2002). On peut donc se demander comment est-il possible qu'il ait dépassé notre limite théorique ?. Si l'on calcule désormais le temps maximal d'apnée en comptant cette fois-ci absolument tout le volume d'oxygène mis à disposition par l'organisme (le 100% des réserves), on arrive alors à une durée moyenne de 7 minutes et 33 secondes; une valeur incroyablement proche du record du monde. . .
L'augmentation de la pression ambiante au cours de la plongée en apnée majore la pression partielle alvéolaire de O2. Il en résulte que la réserve d'oxygène alvéolaire est ainsi utilisée plus complètement qu'en surface, ce qui offre au plongeur une sensation de bien-être et permet de prolonger temporairement l'apnée en profondeur. Mais le fait que ce dernier hypothèque ainsi ces réserves, il risque l'hypoxie au fur et à mesure que la pression décroît, ainsi qu'un brutal manque d'oxygène au retour vers la surface (Corriol, 1996, p. 43). Le risque est d'autant plus accentué que les variations de pression de CO2 sont beaucoup moins soudaines étant donné l'intervention de substances tampons, d'une part, mais aussi de la grande quantité de CO2 présente dans le sang (120 à 150 litres), d'autre part (Corriol, 1996, p. 107, 39 ). Ainsi, l'infime décroissance de la pression de CO2 (d'une dizaine de torr seulement) à la remontée apaise suffisamment "la soif d'air" pour intensifier le risque de syncope. Ce phénomène étant un arrêt ou un ralentissement marqué des battements du cur, accompagné de la suspension de la respiration et de la perte de conscience le plus souvent dû un brutal manque d'oxygène des régions cérébrales.
-La bradycardie : Ce phénomène qui correspond à un ralentissement cardiaque et à une redistribution du sang dans l'organisme aurait pour effet de diminuer la consommation d'énergie par les organes non strictement indispensables au maintien de la vie, et cela au bénéfice des organes "nobles" (cur et système nerveux central). En effet, l'expérience a montré que l'apnée, combinée à l'immersion de la face, provoque une bradycardie de l'ordre de 20% chez les novices, et dépassant 30% chez les sujets entraînés (Corriol, 1996, p. 80 " effets cardio-vasculaires" ).
Cependant, les durées d'apnée les plus prolongées ne sont pas l'apanage des plongeurs présentant les bradycardies les plus fortes (Sterba et Lundgren 1988) ont montré qu'il n'existe pas de corrélation significative entre l'intensité de ce phénomène physiologique et la durée d'apnée, (Corriol, 1996, "Influence de la bradycardie d'immersion sur la durée de l'apnée").
-La vasoconstriction : Des études menées par Scholander, (Olsen et coll 1962) sur des plongeurs de perles indigènes du Détroit de Torres en mesurant la lactacidémie (taux d'acide lactique), ont révélé que les muscles du plongeur travaillent essentiellement en anaérobiose durant l'immersion. Schaefera pu montré, par exemple qu'au cours de plongées à 27, 4 mètres avec des apnées de 90 secondes, que le contenu lactique du sang était 5 fois supérieur à la normale.
En outre, ils ont pu mettre en évidence une vasoconstriction musculaire intense (contraction des vaisseaux sanguins) qui prouverait que les muscles seraient alimentés en énergie fournie par la fermentation et non la combustion de l'oxygène, ce mécanisme ayant lieu dans une perspective d'économie d'oxygène. Campbell constate que le débit de l'avant-bras est réduit à moins de 10% de sa valeur initiale et la pression artérielle croît de 20 torr (Corriol, 1996, p. 81" effets cardio-vasculaires").
Le travail aérobie augmenterait les possibilités de stockage et de transport de l'oxygène. Les séances de natation à intensité moyenne sur de longues durées ou d'interval-training, sont tout à fait appropriées au développement de cette capacité aérobie. Le travail hypoxique permet d'augmenter le taux de myoglobine présent dans les muscles. Le travail en anaérobie permettrait de mieux résister à l'acidose subie pendant l'apnée. Les séries d'apnée en hypercapnie et les séances de natation à intensité proche de 100% de la vitesse maximale aérobie servent de travail en anaérobie lactique. Le travail hypercapnique permet également de faire reculer le seuil de tolérance au CO2. Le travail de contrôle du tonus et du souffle, permettrait une diminution de la consommation d'oxygène : c'est pourquoi nous favorisons les séances d'étirements et de relaxation de type yoga. Les effets attendus de l'entraînement sont donc l'amélioration de tous ces facteurs en vue de l'optimisation des performances en apnée. (Richer 2002).
Plus un plongeur descend profond, plus il doit insuffler d'air dans la trompe d'Eustache afin de compenser la pression absolue. D'autre part, le VRE (volume de réserve expiratoire) représente le volume d'air qui s'échappe lors d'une expiration forcée, celui-ci vaut 1, 5 l, à la pression atmosphérique. (Mioulane, Oyhenhart,1993)
Considérons que le volume de la trompe d'Eustache soit égal à 0, 05 l.
-Pour une profondeur de 10 m. : La pression externe exercée sur la trompe d'Eustache est de 2 bar. La pression dans la trompe d'Eustache doit alors également être de 2 bar, pour qu'il ne se crée pas de déséquilibre. Il faut alors doubler le volume d'air dans la trompe pour que la pression y soit également doublée (car la pression est proportionnelle à la quantité d'air), il faut donc insuffler 0, 05 l d'air (à un bar de pression), en + dans la trompe d'Eustache.
-Pour une profondeur de 50m. : La pression externe exercée sur la trompe d'Eustache est de 6 bar. Il faut donc que le volume d'air dans la trompe soit multiplié par 6. Ce volume vaut donc 0, 05*6=0, 3 l. Il faut donc insuffler 0, 25 l d'air (à un bar de pression), en plus dans la trompe d'Eustache.
Pour une profondeur de x m. : La pression externe exercée sur la trompe d'Eustache est de la pression externe exercée sur la trompe d'Eustache est de (x/10 + 1) bar. Le volume d'air dans la trompe d'Eustache doit être de (0, 05 * (x/10 + 1)). Il faut ainsi insuffler (0, 05 * (x/10 + 1))- 0, 05 l d'air (à un bar de pression), en plus dans la trompe d'Eustache.
On peut ainsi créer une fonction, qui nous donne, selon la profondeur, la quantité d'air à insuffler dans la trompe.
F(x)= (0, 05 * (x/10 + 1))- 0, 05.
Il nous reste à calculer à quelle profondeur, le volume maximum d'air pouvant être expiré (VRE) est-il entièrement insufflé dans la trompe d'Eustache ?.
F(x)= 1, 5 x vaut 300 m. Cette fonction est donc définie pour x entre 0 et 300.
300 m. constitue donc une limite, si ces calculs correspondent à la réalité (que nous soupçonnons plus complexe), et si la valeur du volume de la trompe d'Eustache est correcte. Rappelons aussi que le VRE est une valeur moyenne. Pourtant, il est très peu probable que l'on puisse un jour s'en approcher. Ce paramètre n'est donc pas le premier à limiter la profondeur atteignable.
Il est clair que le volume d'air insufflé dans la trompe provient des poumons. Cette quantité précieuse d'air est donc, pendant la descente, prélevée des poumons et soustraite au plongeur.
En 1993, Umberto Pelizzari atteint 123 m. (Mioulane, Oyhenhart,1993). A une telle profondeur, selon notre formule, la quantité d'air insufflé dans la trompe est de 0, 615 l. Ce qui est tout de même considérable. Il serait possible de calculer ä combien de temps supplémentaire cette quantité d'air correspond, puis ensuite effectuer une moyenne du temps en fonction de la profondeur, effectué par l'apnéiste et ainsi calculer la profondeur supplémentaire éventuelle qu'il aurait pu atteindre. Toutefois tout cet air n'étant pas insufflé d'un coup avant la descente, mais progressivement, il se charge également en CO2 et n'est plus aussi riche en oxygène qu'au départ, les valeurs seraient donc erronées. Il faut aussi rappeler que cet air n'est pas totalement perdu puisque à la remontée, la pression externe baisse et la trompe restitue automatiquement l'excèdent d'air .
Dans ce cas, la plupart des adaptations que nous avons répertoriées, visent à éviter à l'animal les effets toxiques des gaz et les accidents de décompression. Car, dans le cas de l'azote, même s'il est très peu probable que l'animal fasse un accident de décompression lors de sa première immersion, le danger réside en l'accumulation d'azote au cours d'apnées répétées. En effet cet accident à déjà été observé chez l'homme, dans le cas de pêcheurs de perles notamment; il s'appelle "accident de Taravana".
-Dauphin: -Cet animal possède une cage thoracique souple, qui, lorsqu'elle subit la pression, permet de presser l'air dans les circuits respiratoires. La diffusion de l'O2 est ainsi favorisée au détriment de celle de CO2.
-Volume de sang important-Taux d'hémoglobine et de myoglobine (protéine stockant l'O2 dans les tissus musculaires) élevé.
-Présence d'un organe encore méconnu chez les cétacés: le retia mirabilia qui semblerait réguler la circulation sanguine vers le cerveau.
-bradycardie
-un minimum d'O2 est consommé afin de maintenir la chaleur corporelle, car le dauphin jouit d'une bonne isolation thermique: la surface d'échange ther-
mique, entre la peau et l'eau, est relativement petite. La peau comporte une importante couche de graisse isolante irriguée et réchauffée par du sang chaud.
-Il possède un diaphragme très puissant, car il peut expulser et aspirer un plus grand volume d'air par respiration. (Soury,1996)
-Phoque de Wedell: Lorsque le phoque s'immerge, le rythme cardiaque ralentit (bradycardie). Il peut passer de 120 battements par minute à la surface, contre 4 en apnée. (Richer, Margaritis).
Ce qui a pour effet de diminuer la consommation d'O2 par le cur lui-même et de limiter la consommation des autres organes. (Zapol, 1987 )
-vasoconstriction: les organes vitaux et nécessaires à la plongée (cur, rétine, moelle épinière) sont mieux irrigués.
-Les systèmes de production d'énergies anaérobies sont limités aux organes mal irrigués (dû à la vasoconstriction), car cela engendre la formation de toxines telles que l'acide lactique. De plus l'acide lactique, heureusement pour l'animal, ne sera relâché dans le sang qu'à la remontée, car l'apport sanguin envers ces tissus est interrompu et ceci est dû à la vasoconstriction.
Une fois à la surface, le phoque peut prendre jusqu'à une heure pour éliminer l'acide lactique accumulé.
-Il semblerait que la rate du phoque joue le rôle de réservoir de globules rouges (environ 60%) chargés d'oxygène, qu'elle diffuserait dans le sang au cours de la plongée, ce qui, de plus, a tendance à augmenter le volume sanguin et par conséquent à faire diminuer la concentration de CO2, celle d'O2 et de N2 et ainsi à atténuer leurs effets toxiques. (Zapol, 1987)
-vaso-constriction des artères sous l'effet de la pression, ce qui stoppe le flux sanguin vers les organes non nobles, comme le pancréas, par exemple. Ainsi ces organes non irrigués consommeront moins d'O2.
(Gilles, 2002)
2. Pourquoi ces animaux plongent-ils plus profond ?
Dans ce cas, la plupart des adaptations que nous avons répertoriées, visent à permettre à
l' animal d'augmenter sa capacité à emporter avec lui un maximum d' oxygène, à l'économiser.
-Cachalot: -Présence de gouttelettes d'huile résiduelle (dans l'air expiré par l'évent) initialement contenue dans les circuits respiratoires. Il semblerait que cette huile absorbe l'azote. En effet, une baisse du taux d'azote permettrait au cachalot d'aller plus profond et d'y rester plus longtemps sans risquer d'accident de décompression ou de problèmes liés à la toxicité du N2. (Soury, 1996)
-Phoque de Wedell: ADAPTATONS CONTRE LES EFFETS TOXIQUES DES GAZ
-Le phoque, suivant qu'il plonge profond ou non, adapte sa respiration à sa plongée. Ainsi, lorsqu' il descend profond, il expire avant de plonger pour ne pas emporter trop d'azote dans ses poumons. Tout au long de sa descente, le phoque laisse s'échapper, de sa cage thoracique, l'air chassé par la pression (et plus particulièrement vers 70 m. , là où l'azote devient considérablement toxique), ainsi la pression de l'air contenue dans les poumons baisse et moins de gaz (l'azote comme l'oxygène) pénètre son organisme. Cette technique lui permet d'éviter un accident de décompression et les effets toxiques de l'azote et de l'oxygène lorsque la pression partielle du gaz est trop élevée. Dans le cas d'une plongée peu profonde, le phoque peut utiliser entièrement ses capacités et remplir ses poumons au maximum. (Gilles, 2002)
-Les poumons du phoque sont peu volumineux:350 ml seulement (Gilles, 2002), ce qui, limite sa quantité d'O2, mais également celle d'azote.
-Sous l'effet de la pression, l'air est chassé des poumons vers les bronches, qui sont incompressibles. L'air qui y est logé ne subit plus la pression absolue, ce qui limite la pénétration de gaz à l'intérieur des circuits sanguins, en plus de cela les bronches ne sont que très peu irriguées et ne sont pas constituées d'un tissu favorisant les échanges gazeux (mauvaise perméabilité au gaz). (Zapol,1987)
-Autres : -Le phoque ne possède pas de sinus
-Les glandes surrénales produisent une substance appelée cortisol qui a les propriété d'éviter les convulsions liées à la surpression. (Zapol, 1987 )
Ces animaux pourvus grâce à l'évolution de toutes les adaptations et caractéristiques citées au point 4 sont bien mieux destinés à affronter le milieu marin que l'homme. Dans cette synthèse nous allons évoquer quelques point de comparaisons entre ces espèces et l'homme.
-Le dauphin: Cet animal est capable de renouveler, après une apnée, 80 à 90 % d'air par respiration, alors que l'homme n'en renouvelle que 10 à 15 %. Autrement dit, entre deux apnées le dauphin est capable de n' effectuer que 2 respirations, alors que l'homme doit en effectuer une dizaine. (Soury, 1996).
-Le phoque: Le phoque présente une bradycardie plus marquée que chez l'homme.
-Son sang est constitué de 60 % d'hémoglobine contre 35 à 40 % chez l'être humain.
-Le phoque peut stocker jusqu'à 25, 9 l d' O2 alors que l'homme n'en stocke que 1, 95 l.
-Les bronches de l'homme n'étant pas aussi rigides que celles du phoque laissent , sous l'effet de la pression, diffuser du gaz dans les tissus, ce qui a la fâcheuse tendance d'augmenter la quantité d'azote absorbé.
-Le sang représente 7 % de la masse totale de l'homme. Le sang représente 14 % de la masse du phoque. De plus, un tiers de la masse de celui-ci, est dû à la graisse qui n'est que très peu irriguée par le sang, : ce qui laisse donc une plus grande quantité de sang pour les autres organes.
-La répartition de l'oxygène chez l'homme est de: 36 % dans les poumons, 51 % dans le sang et de 13 % dans les muscles.
La répartition de l'oxygène chez le phoque est de: 5 % dans les poumons, 70 % dans le sang et de 25 % dans les muscles. (Zapol, 1987)
-Les phoques ont une sensibilité plus faible à l'augmentation de gaz carbonique. En effet le point de rupture de l'apnée chez les phoques se situe à une PaCO2 de 63 mm. d'Hg contre 40 chez l'homme. (Richer, Margaritis)
Ainsi, après avoir étudié les critères de limite pour l'homme et pour les mammifères marins, un des moyen d' améliorer les compétences humaine en apnée serait d' augmenter les stocks d' oxygène et d'améliorer son transport. On pourrait donc augmenter le volume des poumons ( ce qui augmenterait les risques d' accidents de décompression, la quantité de gaz absorbé étant plus importante), le volume sanguin et son taux d' hémoglobine et le taux de myoglobine dans les muscles.
-Le phoque évite l'accident de Taravana (voir point 4), car il possède une cage thoracique souple, il est ainsi obligé d'expirer avant la plongée et durant la descente afin de réduire le volume et la pression de l'air dans ces poumons. Quant à l'homme, il n'a pas besoin d'expirer car sa cage thoracique est semi-souple. C'est-à-dire qu'elle est compressible jusqu'à 60 m. Les gaz contenus dans les poumons, ne peuvent donc être comprimés à plus de 7 bar. Par contre la dépression aspire le sang, dans les capillaires proches des voies respiratoires, ce phénomène est appelé bloodshift. Le système de cage thoracique humain est avantageux lorsque l'on ne plonge pas trop profond, car l'homme n'est pas obligé d'expier et peut garder tout son air, mais s'il s'aventure trop profondément, le bloodshift risque d'être trop important au point de retenir tout le sang au niveau des cavités au détriment des organes vitaux, ce qui risquerait de causer une perte de connaissance. Il y a donc ici une nouvelle limite délimitée par le bloodshift et malheureusement incalculable car il nous faudrait pouvoir évaluer la quantité de sang attirée par le bloodshift (selon la profondeur), et faisant défaut aux organes vitaux (Gilles, 2002).
-Nous allons finalement tenter d'établir la limite théorique de l'homme pour ce qui concerne la profondeur. Premièrement, l'un des premiers problèmes qui paraît difficilement surmontable concerne l'équilibrage des voies aériennes. En effet, il est inévitable qu'à un moment ou un autre le plongeur n'ait plus la force suffisante pour insuffler de l'air dans ces cavités, étant donné la pression considérable qui y réside. Par ailleurs, il est relativement difficile d'évaluer la profondeur exacte de ce phénomène, celle-ci pouvant être tout à fait variable d'un individu à l'autre (vue la différence de morphologie de chaque être humain). De plus, la multiplicité des cavités aériennes ne facilite pas la diffusion homogène d'air apportée à chaque insufflation. Néanmoins, les scientifiques travaillent à l'heure actuelle. sur de multiple procédés pour remédier à ce problème. Le port d'oreillettes étanches a déjà été mis au point pour remédier au problème de pression sur les voies aériennes. Cependant, cette technique n'est pas encore directement conçue pour les plongées particulièrement profondes, et même si elle l'était, il est physiquement difficilement concevable de créer des oreillettes qui s'adapteraient parfaitement à chaque personne et qui garantiraient une étanchéité totale en plongée. Rappelons que la moindre défaillance du matériel, nous entendons par là une fuite quelconque pourrait, en grande profondeur causer des dommages dévastateurs sur notre système auditif (Ashkenazy 2001) !
Une des limites que nous avons pu évaluée et qui semble être une des premières à pouvoir poser problème, est celle évaluée en fonction de la maneouvre de Valsalva, qui se situerait aux alentours des 300 m. de profondeur. Même si cette limite, pourrait être la première à faire obstacle, rappelons tout de même qu'elle constitue le double du record actuel. Pourtant, le remplissage de ces cavités (trompe d'Eustache) par un liquide est un projet encore à l'étude, qui en théorie pourrait être parfaitement envisageable. L'apnéiste n'aurait alors plus à insuffler d'air dans sa trompe d'Eustache. Mais si l'on veut que cette méthode soit totalement infaillible, il ne faudrait épargner aucune des cavités, même si l'application d'un liquide pourrait affecter irrémédiablement des régions extrêmement sensible de l'oreille. Notons que cette manière de faire, certes un peu barbare car la chirurgie interviendrait sans doute dans cette application, resterait probablement la seule issue pour le plongeur extrême à partir de profondeurs considérables et encore jamais atteinte à l'heure actuelle. (Science et vie, 1997)
Une autre problématique sur laquelle on pourrait encore se pencher; et qui interviendrait seulement à partir de profondeur monstrueuse (soit des milliers de mètres) serait celle de la différence de masse volumique entre nos tissus corporels. En effet, à ces profondeurs la pression est telle (des dizaines de millions de newton par mètre carré!) que l'eau contenue à l'intérieur de certain organe riche en liquide pourrait, par hypothèse, sortir de ceux-ci pour s'introduire à l'intérieur d'autres, dont la quantité d'eau serait plus faible, et ainsi rétablir des pressions homogènes dans l'ensemble du corps. Dans une perspective plutôt cynique de la chose on pourrait même imaginer que le plasma sanguin pourrait sortir des vaisseaux pour s'étendre dans le corps. Il est évident que ce genre de prédiction reste parfaitement hypothétique et que l'homme dépourvu de moyens techniques reste encore très loin de ce genres de profondeurs puisque le record actuel est détenu par Fransisco Pipin, et est de 162m.
Rappelons que la limite qui est la plus susceptible de faire obstacle à la " course à la profondeur " est la limite prescrite par la durée. Notre organisme peut peut-être supporter des profondeurs importante, mais il faut encore pouvoir avoir le " souffle " pour les atteindre. Ainsi, comme nous avons vu que la durée d'apnée est limitée, le moyen de repousser la limite est donc d'augmenter la vitesse de descente et de remontée de l'apnéiste.
Dans l'article "respirer de l'eau" (Sténuit, 1998), il est question de recherche quant à l'élaboration d'un liquide respirable à forte concentration en O2 sous pression. Au cours de l'expérience, le liquide respiré par l'animal est continuellement acheminé et évacué des voies respiratoires par un dispositif. Ces découvertes, si l'on imagine qu'un jour elles seront mises en pratique, permettront des avancées considérables dans le domaine de la plongée. Pourtant celle-ci restera tout de même limitée par la quantité de liquide emporté avec soi. C'est pourquoi, dans la limite de nos connaissances et à un intérêt purement fictif, nous avons tenté d'imaginer un système basé sur ces découvertes qui procureraient une totale autonomie et indépendance du plongeur. En effet, l'idéal serait de trouver un système dont le liquide se constituerait pendant la plongée permettant au plongeur continuellement d'être alimenté.
Comment réduire la quantité de liquide emporté afin d'assurer l'autonomie la plus totale au plongeur?
1. Comme les cavités respiratoires sont remplies de ce liquide qui est incompressible, (sauf les gaz qui y sont dissous comme nous le verront par la suite) il n'y a plus de bloodshift, car il n'y a plus de dépression dans les poumons, il n'y a plus d'ivresse des profondeurs (car il n'y a pas d'azote dans le mélange), plus de paliers de décompression, plus d'accident de décompression, ni de problèmes liés à la toxicité de l'oxygène.
2. Même si une telle membrane (cf point 8 shéma) ne peut exister, il suffit de placer un filtre afin d'assurer que des déchets ne pénètrent pas le système, les autres composants de l'eau de mer, même s'ils ne peuvent être retenu par le filtre ne pourront passé par le conduit 5, contrairement aux bulles d' O2. Sauf si certains des constituants après protolyse peuvent entraîner la formation de gaz toxiques.
Pression partielle (Pp)= Pression totale x % du gaz dans le mélange.
Pp = 0, 17La pression totale est notre inconnu à partir de laquelle nous en déduiront la profondeur correspondante. Soit x la profondeur, alors (x/10 + 1) est la valeur de la pression absolue. Il nous reste à déterminer le % du gaz dans le liquide: C'est la valeur manquante. Il faudrait pouvoir déterminer, en fonction de la pression absolue, la quantité, à saturation, d'O2 dissous dans le liquide, ce qui nous permettrait ainsi de calculer la valeur de la concentration d'O2 dissoute. Par exemple pour une pression absolue de 3 bar (20 m. ), quel est la quantité d'O2 dissoute dans le liquide à saturation ?.Soit q, cette quantité, alors q/volume de liquide est égal à la concentration d'O2 dans ce liquide. Ainsi il resterait à résoudre une équation du type:0, 17 = (x/10 + 1)*q/1, pour un volume de liquide de 1l. La profondeur vaut donc: (1. 7/ q-10)4. A partir d'une certaine profondeur, la pression absolue sera telle, que la concentration d'oxygène risquera de dépasser un seuil critique où sa pression partielle sera supérieure à 1, 6 bar (valeur hyperoxie: plongée passion). Il se pose le même problème qu'au point précédent quand au calcul de la profondeur maximum. On peut cependant donner la forme de l'équation:1, 6 = (x/10 + 1) * q/1, pour un volume de liquide de 1l. A ce stade, il sera nécessaire de contrôler le débit d'oxygène afin de limiter sa concentration pour éviter au plongeur le risque d'une hyperoxie. Nous avons également élaborer une formule qui permet de déterminer le volume maximum d'O2 que peut contenir le ballon (cf. Schéma:partie numéro 2)Soit 1, 7 le seuil critique de pression partielle de l'oxygène. Selon la loi de Dalton; il faut que:1, 7 > ou = y (bar) * p % (d' O2 dans le liquide) Si le % d'O2 vaut 1, 7 / y alors: y * 1, 7/y sera toujours plus petit ou égal a la valeur critique.
Il suffirait de placer sur le conduit a oxygène (cf. Schéma:partie numéro 5), un dispositif connecté a l'ordinateur de plongée (qui est capable de mesurer la pression absolue et donc de fournir continuellement la valeur de y), qui serait capable, programmer avec cette très simple formule de doser le débit d'O2 et d'empêcher ainsi l'hyperoxie au plongeur.
5. L'homme inspire en moyenne toute les 4, 3 secondes. Ce qui implique qu'en 4, 3 secondes suffisamment d'eau ait été électrolysée , afin de donner une quantité suffisante d'O2 qui doit ensuite être dissoute. Le tout doit être fait en 4, 3 secondes ce qui parait extrêmement difficile. Recherchons la valeur de la quantité nécessaire d'oxygène pour une pression absolue de 5 bar: 0, 17 =5 * x x =0, 034 soit 3, 4 %; Si le volume vaut 1 l il faut donc créer et dissoudre 3, 4 cl d'O2 en 4, 3 secondes.
Etant donné que la fréquence de l'inspiration croît avec l'effort, la quantité d'oxygène consommée croît également. Il faut donc trouver plusieurs moyens d'augmenter la vitesse de dissolution du gaz dans le liquide. En voici quelques-uns :
-augmenter la surface de contact
-agiter le liquide (Mioulane, Oyhenart, 1993)
-ajouter un catalyseur tel que THAM. (Sténuit, 1988)
Et c'est ainsi, que nous avons, ci-dessus, tenté en utilisant les notions que nous avons apprises au cours de ce travail de recherche, d'imaginer un système plus complet que celui proposé dans l'article (Sténuit, 1988). Ce système propose ainsi l'avantage de permettre une autonomie encore plus grande : en tirant l'oxygène de l'eau environnante, la durée de plongée est alors illimitée.
- Mioulane Patrick, Oyhenart Jean-Michel. Plongée passion, Hachette, 1993.
-Soury Gérard, Dauphins en liberté., Nathan, 1996.
-Zapol Warren, Adaptations à la plongée du phoque de Wedell, article paru dans le magazine "pour la science", Août 1987
-Sténuit Robert, Respirer de l'eau ?, article paru dans le magasine "science et vie", Octobre 1988
-Gilles Raymond, Chapitre 3 Echanges gazeux, page internet: www.ulgAc.be/physioan/chapitre/ch3s.htm, 2002 consulté le 18. 02. 2002.
-Richer Caroline, Margaritis Irène, Plongée libre : du modèle écophysiologique à la performance humaine. page internet: www. multimania. com/aidafrance/Recherche. htm , consulté le 22. 01. 2002.
-Science et vie, n0 955, avril 1997
-Ryser, cours options spécifique Chimie,3e année, Calvin, 2001.
-Restellini Alexandre, gastro-entérologue de la clinique d'Onex ,Mai 2002.
-Daniella Ashkenazy, Israel Magasine MFA, page internet, http://www.mfa. gov. il/mfa/go. asp?MFAH0gq40, 2000.
-Marc Sakiz, Polytechnique "les accidents bio-physiques", préparation au niveau 2 page internet 2001.
-Vallat Daniel et Lousonna, L'Apnée ou le Snorkelling, page internet http://www.lousonna.ch/paradive/index.html, 1997-2002.
-Richardson Drew, Open Water Diver Manual PADI "l'aventure et le plaisir d'apprendre", 1998.
-Avanzi Paul, Galley Patrick, Héritier Francis, Plonger en sécurité, Gründ, Mars 2000.
-Corriol Jacques, La plongée en apnée, physiologie et médecine, 2e édition, Masson,1996.
-Ferretti Guido, Human extreme breath-hold diving, Privat Docent présenté à la faculté de médecine de l'université de Genève,Mai 1996.
-Barbera Pierre, La plongée en apnée, page internet, G.E.K,1998.
-Homo Delphinus, L'adaptation physilogique, La Preuve Par Cinq, "Quesion d'Oxygène", video cassette, La Cinquième, Septembre 1996.
-L'académie des sciences INRP, " L'eau sur terre " , document internet :http://www. inrp. fr/lamap/scientifique/milieu_vie/essentiel/eau_terre. Htm, 1997.
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