Physique de la respiration
Bernard Sapoval (Laboratoire de Physique de la Matière condensée, Ecole Polytechnique)

Jeudi 27 mai 2004

Les mammifères respirent tous de la même façon : l’oxygène est d’abord transporté par l’air dans un arbre bronchique dichotomique. La section augmente et, dans les régions périphériques, la vitesse hydrodynamique de l’air devient plus faible que la vitesse de diffusion de l’oxygène dans un air devenu quasiment immobile. Cette transition convection-diffusion a lieu au niveau d’un organe dénommé "acinus pulmonaire" qui est la véritable cellule de diffusion de l’oxygène vers le sang.

Le poumon humain comprend environ 30 000 acini, chaque acinus comprenant de l’ordre de 10 000 alvéoles. La surface totale d’échange est de l’ordre de 100-150 mètres carrés.

Dans cette complexité géométrique, la physique peut quantifier un certain nombre de processus et examiner l’efficacité du système et ses fragilités "physiques". Ainsi permet-elle de comprendre à partir des premiers principes pourquoi le poumon doit posséder une structure arborescente pour être efficace. Elle donne même un critère de taille d’un "bon" acinus, critère à comparer aux données morphométriques physiologiques. Elle permet aussi de dire pourquoi l’évolution n’a pu suivre les seuls critères d’une optimisation physique.

Les notions physiques mises en oeuvre concernent la compréhension du rôle des effets inertiels dans l’écoulement de l’air dans l’arbre bronchique et la possibilité de renormaliser le mouvement brownien de diffusion gazeuse jusqu’à l’échelle d’une alvéole pulmonaire.