Sans complexes et sans bouteilles, les apnéistes descendent toujours plus bas. Quitte à payer de leur vie. Les limites du royaume des hommes-poissons semblent atteintes.

No limit. Le nom de cette discipline en dit long sur ses objectifs : descendre le plus profondément possible, sans respirer, à l'aide d'un lest, puis remonter fissa grâce à un ballon. Dans les années 1960, Enzo Maiorca, rendu célèbre par le film Le Grand Bleu, a voulu atteindre les 50 m. Les médecins ont essayé de le dissuader, pensant que son corps ne supporterait pas la pression. À tort... Et le record actuel, détenu par Herbert Nitsch, est de -214 m ! Il y a un an, la tentative de cet Autrichien à -241 m s'est toutefois soldée par un grave accident.
Les calculs théoriques fixent aujourd'hui la limite à -235 m. Quelqu'un pourra-t-il aller plus loin ? La pression, toujours la pression ! Lorsqu'on plonge dans l'eau, une des contraintes physiologiques importantes dont on doit tenir compte est la pression. En surface, elle est égale à la pression atmosphérique : une atmosphère, soit environ 1 kg par cm². Puis elle augmente d'une atmosphère chaque fois que l'on s'enfonce de 10 m. En définitive, à -10 m, elle a déjà doublé. "C'est une variation très importante pour le corps. L'apnéiste doit sans cesse équilibrer ses oreilles, c'est-à-dire utiliser l'air qu'il a emmagasiné dans ses voies respiratoires pour rétablir une pression égale de chaque côté de ses tympans, explique Frédéric Lemaître, chercheur spécialiste de la question et apnéiste lui-même. Sinon, ils risquent d'éclater, c'est très douloureux et même dangereux". Or, plus on descend, plus la pression est forte et donc plus le volume d'air emmagasiné dans les poumons diminue. Du coup, l'effort pour équilibrer les tympans augmente. "Au-delà de -40 m, il devient très difficile de faire remonter de l'air des poumons jusqu'à la bouche, il faut donc l'avoir fait avant", poursuit Frédéric Lemaître.

Depuis juin 2009, Stéphane Mifsud détient le record mondial d'apnée statique, c'est-à-dire l'arrêt volontaire de la ventilation, le corps à peine immergé.

Comment parvient-on à réaliser une telle performance ?
L'apnée est un sport d'adaptation qui demande des années d'entraînement. Jeune, j'ai beaucoup pratiqué la chasse sous-marine. Ensuite, je me suis entraîné avec l'aide de médecins et chercheurs. En réalité, mon corps est comme une voiture qui s'apprête à faire un long voyage : il faut remplir au maximum le réservoir d'essence et ensuite consommer le moins possible. Grâce à l'entraînement, ma capacité pulmonaire atteint 11,3 l, contre 5 à 6 litres chez un autre homme de même taille. Mon rythme cardiaque au repos est de 35 pulsations par minute, contre environ 70 chez un non sportif. La bradycardie réflexe me permet de descendre jusqu'à 18 battements par minute lors de l'apnée.

Que se passe-t-il durant ces 11 minutes ?
Pour réduire au maximum ma consommation de dioxygène, j'utilise l'autohypnose les trois à quatre premières minutes. C'est là que je suis le plus détendu. Ensuite vient la phase de lutte, contre la douleur, contre l'envie de respirer. Je suis spectateur de mon corps, j'essaye d'être le plus relâché possible.

Peut-on aller au-delà de ce record ?
Sûrement ! Aucun scientifique n'a annoncé de durée limite, personne n'en sait rien. J'ai réalisé des expériences avec la Marine nationale en utilisant du dioxygène pur (alors que l'air ambiant ne contient que 20 % de dioxygène), cela m'a permis de réaliser une apnée de 27 minutes ! Evidemment, on n'est plus dans les conditions officielles de l'apnée statique, qui est un sport avec des règles précises, mais ces expériences montrent que l'on n'a pas encore atteint les limites du corps humain en matière d'apnée.

Les limites ne sont-elles pas du côté de la répétition de l'effort ?
Oui, je ne peux effectivement pas renouveler cet exploit tous les jours ! Après mon record, en plus d'être très fatigué, j'ai souffert de maux de tête pendant un mois. Mon corps a mis du temps à récupérer de ce manque d'oxygenation...

Apparus chez les poissons il y a 400 millions d'années, les poumons ont connu au cours de l'évolution de remarquables adaptations fonctionnelles. Elles ont permis aux mammifères et donc à l'homme de s'épanouir au grand air.

La muqueuse des bronches est recouverte de cils qui, par leurs battements, refoulent vers le pharynx le mucus chargé de poussière. Ils assurent ainsi le nettoyage des voies respiratoires (->).

Les premiers poumons sont apparus chez les poissons il y a 400 millions d'années. De ces très lointains animaux, rien ne reste, évidemment ; hormis quelques fossiles qui, de toute façon, se taisent sur la structure de ces organes. Aujourd'hui, subsiste toutefois un groupe de poissons, au nom éloquent de dipneustes, qui pratiquent aussi bien la respiration branchiale que la respiration pulmonaire.
Ces dipneustes (->), comme l'indique la phylogénie - science des relations de parenté entre les groupes d'organismes qui se sont succédé au cours de l'évolution - sont les parents vivants les plus proches des poissons ancêtres des tétrapodes dotés de poumons. Dans une certaine mesure, l'étude de la structure de leur système respiratoire permet de se faire une idée sur l'organisation de ce poumon primitif. On remarque d'abord que certaines de leurs caractéristiques se retrouvent dans le poumon des mammifères et donc de l'homme. Une telle permanence n'est pas neutre. Elle fait penser que ces caractéristiques sont fondamentales dans le fonctionnement des poumons.
Le poumon des dipneustes, qu'un conduit tapissé de muscles lisses relie à la cavité buccale, a la forme d'un sac. Sa paroi est couverte de cloisons fibreuses, des septa, qui délimitent de nombreux compartiments respiratoires. Sur ces septa, repose un épithélium fin qui recouvre un dense réseau capillaire. L'épaisseur de la barrière d'échange que doit franchir l'oxygène pour passer dans le sang varie entre 0,37 et 1 micron. Dans le poumon humain, l'espace qui sépare l'air du sang est de l'ordre de 0,5 micron.

POINTS COMMUNS : La similitude ne s'arrête pas à cette dimension. Elle est aussi d'ordre histologique. Les cellules épithéliales du poumon des dipneustes ressemblent en effet de près aux cellules épithéliales de type I qui composent la surface d'échange des poumons des mammifères. De surcroît, comme chez ces derniers, l'épithélium pulmonaire des dipneustes comporte des cellules ciliaires et des cellules sécrétrices de mucus. Mieux : l'un et l'autre poumon contient des cellules épithéliales de type II sécrétrices de surfactant. Ce mélange de protéines et de lipides joue un rôle majeur dans le poumon alvéolaire des mammifères. Il empêche les alvéoles de s'effondrer sur elles-mêmes, en un collapsus provoqué par les forces de tension superficielle exercées par l'eau qui recouvre leur surface interne. En outre, le surfactant limite la déshydratation de l'épithélium pulmonaire et le protège de l'agression des polluants atmosphériques.
Ainsi, comme le résume étienne Roux, chercheur au laboratoire de physiologie cellulaire respiratoire de l'Université Bordeaux II : "Un appareil respiratoire aérien est présent. Il est constitué de deux sacs ventraux reliés à la partie supérieure du pharynx par un conduit pneumatique. On y trouve les principales structures présentes également dans le poumon des tétrapodes actuels (et donc des mammifères) : une surface d'échange respiratoire, au contact d'un réseau capillaire, assurée par un épithélium fin. Celui-ci contient des cellules comparables aux pneumocytes de type I, des cellules ciliées et des cellules productrices de mucus. On y trouve aussi des cellules de type II, productrices de surfactant". Là, s'arrête la parenté, au demeurant considérable. La différence qui subsiste porte sur la mécanique respiratoire. Chez les premiers vertébrés dotés de poumons, la respiration s'accomplit grâce à une pompe refoulante buccale. Une bulle d'air est emprisonnée dans la bouche et refoulée vers les poumons par contraction du plancher buccal. Le gonflement des poumons résulte donc d'une surpression. Cette disposition est intacte chez les premiers vertébrés sortis de l'eau, dont les amphibiens sont les représentants modernes. Ce système n'est guère performant. "Comme la pression intrapulmonaire reste relativement élevée et toujours supérieure à la pression atmosphérique, la ventilation pulmonaire nécessite une dépense énergétique importante", explique étienne Roux. Il faut attendre l'apparition des amniotes, groupe phylogénétique auquel appartiennent les mammifères, pour que se mette en place la pompe respiratoire aspirante, celle de l'homme.

UN GAIN D'ÉNERGIE : En fonctionnant grâce aux mouvements de la paroi de la cavité qui abrite les poumons, ce système offre un grand gain d'énergie. Là, le remplissage des poumons ne se fait plus par surpression mais par dépression. Qui plus est, note étienne Roux, "ce remplissage" n'est plus limité par le volume de la cavité buccale, comme chez les amphibiens, ce qui permet une augmentation de la taille des poumons et de la surface d'échange respiratoire". Enfin, les fonctions de nutrition et de ventilation sont découplées, ce qui favorise l'apparition de nouvelles formes de vie.
Les plus anciens fossiles de mammifères remontent à 220 millions d'années. Leur poumon est dit pluricavitaire broncho-alvéolaire (->). Deux caractéristiques le rendent particulièrement performant : d'une part, une séparation très nette entre la zone de conduction de l'air (trachée et bronches) et la zone d'échange gazeux (bronchioles et alvéoles) ; d'autre part la participation du diaphragme à la ventilation. L'efficacité de la pompe aspirante est augmentée, de même que la surface d'échange. Cette surface est bien plus importante dans un poumon alvéolaire que dans le poumon à septa des dipneustes. Enfin, les capillaires pulmonaires sont structurellement entourés d'alvéoles. La quasi-totalité de leur circonférence est donc consacrée aux échanges gazeux. Avec un rapport surface/volume très élevé, le poumon des mammifères peut assurer un apport d'O2 en quantité adaptée au métabolisme élevé des endothermes, organismes qui doivent maintenir leur température interne constante.
Il faut pourtant se garder de voir dans le poumon des mammifères le plus abouti des appareils respiratoires. étienne Roux le souligne : "Les caractéristiques structurelles et fonctionnelles doivent être évaluées par rapport au problème auquel elles apportent une réponse (ici, l'oxygénation de l'organisme)". Les différentes formes que revêt l'appareil respiratoire des vertébrés sont, selon les contraintes environnementales, autant de réponses au problème de l'apport d'oxygène nécessaire au métabolisme aérobie.
Au demeurant, une question reste en suspens et non des moindres : pourquoi les poumons sont-ils apparus ?
Le phénomène s'est produit chez des animaux déjà pourvus d'un autre système respiratoire : les branchies, qui ne permettent de respirer que dans l'eau. Or, ces poissons vivaient dans une eau très pauvre en oxygène. Dès lors, la mise en place d'un appareil respiratoire aérien permettait un apport supplémentaire en oxygène, un avantage évolutif indéniable. La théorie est séduisante et pourtant, on a récemment suggéré que cet événement pouvait n'avoir aucun lien avec la vie dans un milieu pauvre en oxygène mais être associé au développement d'un meilleur système d'oxygénation du cour. En effet, chez les poissons sans poumons, le sang ne parvient au cour qu'après avoir traversé tous les autres tissus. Ainsi pauvre en oxygène, il se révèle un handicap lors d'exercices musculaires gourmands en ce gaz (fuite devant un prédateur). L'apparition des poumons entraîne la mise en place d'une circulation pulmonaire. Chez les dipneustes, elle se compose d'une paire d'artères pulmonaires et d'une paire de veines qui retournent directement au cour. Le cour reçoit ainsi un sang riche en oxygène qui se mélange dans la cavité cardiaque unique des poissons avec le sang désoxygéné venu des organes. Le myocarde est alors oxygéné par diffusion directe du gaz à travers lui.

À LA SORTIE DE L'EAU : La suite de l'évolution passe par la sortie de l'eau et le développement de la locomotion. Cela s'est traduit par un renforcement de la séparation du cour droit et du cour gauche, donc de la circulation pulmonaire et de la circulation systémique. Cette séparation accompagne l'adaptation au mode de vie terrestre, la disparition de tout autre appareil respiratoire que les poumons et l'augmentation du métabolisme lié à des capacités physiques accrues. Le cour a donc une fonction respiratoire, illustrée, d'une certaine manière, par ce qui se produit lorsqu'un enfant naît. Dans les vingt secondes qui suivent la section du cordon ombilical, l'appareil respiratoire se met en route. Le parachute pulmonaire s'ouvre et au même moment, la communication, qui subsistait dans le cour fotal entre les deux oreillettes, se ferme. La circulation pulmonaire, inutile lors de la vie fotale, démarre simultanément à la mécanique de la respiration... Une mécanique dont on va maintenant dire quelques mots.
Inspirez, expirez : aucun muscle ne commande le gonflement et le dégonflement des alvéoles au cours de la respiration. Les changements de volume des poumons ne sont provoqués que par les changements de dimension de la cage thoracique. Au repos, avant l'inspiration, la pression dans les alvéoles est égale à la pression atmosphérique. Aucun déplacement d'air ne se produit. Au début de l'inspiration, les principaux muscles inspiratoires, diaphragme et muscles intercostaux, se contractent. La cage thoracique s'élargit et sa hauteur augmente. Les poumons, étroitement unis à cette cage par le biais de la plèvre, doivent suivre le mouvement.
Conséquence : étirés, ils offrent à l'air qui s'y trouve un volume accru et la pression dans les alvéoles diminue de 1 mmHg, passant de 760 à 759 mmHg. Cette dépression suffit pour que l'air atmosphérique pénètre spontanément dans les poumons, jusqu'à la restauration de l'équilibre des pressions. Ainsi, si les poumons se gonflent, ce n'est pas parce que l'air y pénètre ; au contraire, l'augmentation du volume dés poumons offre plus de place à l'air. à la fin de l'inspiration, processus actif, les muscles se relâchent. C'est l'expiration, processus passif. Le diaphragme reprend sa forme initiale et les côtes de la cage thoracique, libérées de la tension des muscles intercostaux, retombent sous l'effet de la pesanteur. élastiques, les poumons retrouvent leur volume initial. La pression à l'intérieur augmente alors de 1 mmHg, s'établissant à 761 mmHg. L'air est alors chassé vers une région de pression plus basse : l'atmosphère. Le flux d'air sortant cesse quand la pression dans les poumons est égale à la pression atmosphérique.

SANS LA PLÈVRE, PAS DE RESPIRATION Chaque poumon est enveloppé d'une double membrane, la plèvre. Le feuillet interne de la plèvre adhère aux poumons, son feuillet externe à la face intérieure de la cage thoracique. Entre ces deux feuillets se trouve le liquide pleural. Ce liquide facilite les mouvements des poumons dans la cage thoracique et participe au maintien des poumons contre la paroi interne de la cage thoracique. Il agit un peu à la manière de l'eau prisonnière entre deux plaques de verre posées l'une sur l'autre. Elles glissent très bien l'une contre l'autre, mais il est en revanche très difficile de les séparer. Les poumons ont une tendance naturelle à se rétracter, tandis que la cage thoracique bombe spontanément vers l'extérieur. Cela provoque donc un léger étirement de la plèvre. Il en résulte une augmentation du volume de la cavité, sans que la quantité de liquide pleural augmente pour autant. Cela crée un vide relatif qui entraîne une légère dépression à l'intérieur de la plèvre, de 4 mmHg par rapport à la pression atmosphérique qui règne dans les poumons au repos. Cette différence de pression étire les poumons qui sont ainsi contraints de remplir la cavité thoracique et de l'accompagner dans ses mouvements.

LES ÉCHANGES GAZEUX ALVÉOLES/CAPILLAIRES : UN JEU DE PRESSION Cette coupe de tissu pulmonaire humain montre des canaux alvéolaires (longs tubes), entourés d'alvéoles (régions sombres plus petites). Les alvéoles sont séparés par des membranes poreuses. parcourues de fins capillaires. Une structure qui ménage une grande surface d'échange gazeux, à travers les parois, entre l'air des alvéoles et le sang circulant. Altération de la capacité de jugement, vertiges et mauvaise coordination des mouvements, tels sont les symptômes du mal des montagnes. D'ordre neurologigue, ils ne sont pourtant que la conséquence de la difficulté des poumons à extraire suffisamment d'oxygène de l'atmosphère environnant. Cette difficulté provient de la diminution de la pression atmosphérique et donc de celle de la pression partielle de l'oxygène dans l'atmosphère. La pression partielle est la part qui revient à un gaz dans la pression totale qu'exerce un mélange gazeux. Ainsi, au niveau de la mer, les 21 % d'oxygène de l'atmosphère ont une pression partielle de 160 mmHg. à 9000 mètres d'altitude, où la pression atmosphérique tombe à 380 mmHg, cette pression partielle de l'oxygène est réduite à 80 mmHg. Or, à l'intérieur des alvéoles, à une altitude banale, la pression partielle en oxygène vaut 100 mmHg. Dans le sang des capillaires pulmonaires, elle est de l'ordre de 40 mmHg. C'est une loi physique, un gaz se déplace toujours, à travers une membrane poreuse, vers le compartiment où sa pression partielle est la plus faible. l'oxygène des alvéoles se dirige donc spontanément vers le sang. Le mécanisme est le même pour le dioxyde de carbone, mais dans le sens inverse. Sa pression partielle dans le sang est de 46 mmHg quand elle est égale à 40 mmHg dans les alvéoles. Une fois l'oxygène passé dans le sang, il est pris en charge par l'hémoglobine et passe, via le cour, dans la circulation systémique. Il est alors conduit aux organes. Mais cela n'est plus du domaine de l'appareil respiratoire. à 9000 mètres d'altitude, la pression partielle de l'oxygène dans les alvéoles pulmonaires n'est plus que de 45 mmHg, alors qu'elle reste à 40 mmHg dans le sang. Dans ces conditions, bien peu d'oxygène passe dans le sang et le premier organe à en souffrir est le cerveau. Toutefois, après un certain temps passé en altitude, des modifications physiologiques interviennent pour compenser ce manque. En particulier la quantité de globules rouges dans le sang augmente, de même que le nombre des capillaires dans les tissus, ce qui facilite l'acheminement de l'oxygène vers les cellules.

TOUJOURS GONFLÉS : Les poumons, notons-le, ne se vident jamais complètement. Ils conservent en permanence à peu près 2,2 litres d'air. Il y a là un avantage certain : que l'air entre ou sorte, les échanges gazeux sont permanents. Qui plus est, d'un point de vue mécanique, un alvéole qui contient déjà de l'air se gonfle plus facilement qu'un alvéole vide. En revanche, le fait que l'air des poumons ne soit renouvelé que par cinquième à chaque cycle respiratoire implique qu'un polluant aérien reste longtemps dans les alvéoles.
Au repos, chaque inspiration fait entrer dans les poumons 500 ml d'air que chaque expiration fait sortir. à raison de 12 respirations par minute, la ventilation pulmonaire au repos est donc de 6 l/mn dont seuls 4,2 l servent effectivement à la respiration. Sur un demi-litre inspiré, 150 ml demeurent dans les voies aériennes supérieures et n'entrent pas en contact avec le sang. Le restant - 350 ml participe aux échanges gazeux lors de chaque inspiration. En cas d'effort, et donc de besoin accru en oxygène, le volume d'air ventilé peut être multiplié par cinq, grimpant jusqu'à plus de 2,5 litres par mouvement respiratoire. Pour faire face à cette augmentation, des alvéoles supplémentaires sont recrutés, les capillaires pulmonaires se dilatent, une plus grande surface est offerte aux échanges gazeux. Des récepteurs, sensibles à l'étirement des poumons et situés dans la paroi des voies aériennes, veillent à ce que les poumons ne dépassent pas un certain volume de gonflement. Ils agissent directement sur les centres nerveux qui dirigent les muscles respiratoires. Ces centres nerveux respiratoires sont également placés sous l'influence de chémorécepteurs, sensibles à la composition du sang et situés à différents endroits du système vasculaire. Les plus essentiels sont ceux qui réagissent à la quantité de CO2 dans le sang. La moindre augmentation de ce paramètre accroît la fréquence et l'amplitude de la respiration, ce qui amplifie l'élimination du gaz carbonique. L'acidité d'un sang trop riche en CO2 est en effet trop élevée pour que les différentes réactions du métabolisme cellulaire se produisent correctement. Le système respiratoire joue donc aussi un rôle fondamental dans le contrôle du pH de l'organisme.