Pourquoi nos os sont-ils reconstruits tous les quelques années ?
― Sans les cellules qui détruisent, l'os serait au contraire plus fragile
L'os semble être la partie la plus « immuable » du corps. Pourtant, en ce moment même, votre squelette est peu à peu détruit puis reconstruit, exactement au même endroit. Et si cette équipe de « démolition » venait à disparaître, l'os ne deviendrait pas plus solide : il deviendrait cassant.
Pensez à un os exposé dans un musée. Blanc, dur, on dirait de la pierre. Rien, en apparence, n'a l'air « vivant » là-dedans.
Pourtant, quand on écoute quelqu'un qui a porté un plâtre pendant plusieurs mois après une blessure au bras, on apprend qu'au retrait, non seulement le bras a maigri, mais l'os lui-même s'est amenuisé.
Une colonne de pierre, elle, ne rétrécit jamais simplement parce qu'on ne l'utilise pas. L'os se comporte manifestement autrement que la pierre.
Deux raisons expliquent pourquoi l'os est reconstruit
La marche et l'exercice quotidiens créent de minuscules fissures à l'intérieur de l'os. Plutôt que de les colmater en surface, l'os creuse et évacue la zone fissurée tout entière, puis la remplace par de l'os neuf.
L'os s'épaissit là où les forces s'exercent souvent, et s'amincit là où elles ne s'exercent pas. Le corps déménage une quantité limitée de matière vers les endroits qui en ont besoin.
Ces deux mécanismes n'existeraient pas sans une destruction préalable. Voyons cela en détail.
Dans l'os, une équipe qui creuse et une équipe qui comble travaillent en binôme
À l'intérieur de l'os vivent deux types de cellules. L'une dissout le vieil os et creuse en avançant, l'autre suit derrière et rebouche avec de l'os neuf. On appelle la première ostéoclaste, la seconde ostéoblaste.
Ces deux équipes ne travaillent pas au hasard, chacune de son côté. L'équipe qui creuse ouvre d'abord le passage, et l'équipe qui comble la suit. Regardez la figure 1 : c'est comme un chantier de percement de tunnel qui avance lentement à l'intérieur de l'os.
Du début du creusement à la fin du comblement, un même chantier prendrait plusieurs mois. Et dans tout le corps, on estime que des millions de chantiers de ce type sont actifs simultanément. À l'intérieur de cet os qui paraît aussi silencieux qu'une pièce de musée, les travaux ne s'arrêtent donc jamais.
Un os inutilisé s'amincit parce que sa matière est réaffectée ailleurs
Si l'équipe qui creuse et l'équipe qui comble travaillaient toujours à la même intensité, la quantité d'os resterait constante. Mais ces deux équipes ajustent leur activité selon la force exercée à cet endroit. Là où les forces sont fréquentes, l'équipe qui comble l'emporte et l'os s'épaissit. Là où les forces manquent, l'équipe qui creuse l'emporte et l'os s'amincit.
Si le bras plâtré maigrit, ce n'est pas que le corps se relâche. Il récupère la matière du membre inutilisé pour la réaffecter là où elle est nécessaire. Le calcium ne peut être obtenu que par l'alimentation : c'est une ressource précieuse pour le corps, qui n'a pas les moyens de la laisser dormir dans une colonne qui ne sert à rien.
Le même phénomène se produit dans l'espace. Dans un environnement presque sans gravité, les os censés soutenir le corps ne subissent plus aucune force. Les astronautes suivent des programmes d'exercice, mais la masse osseuse continuerait pourtant de diminuer. L'épaisseur de nos os, ici sur Terre, est en somme la réponse à la gravité qui s'exerce sur nous chaque jour.
Contrairement à la pierre, l'os est composé de deux matériaux. L'un est constitué de granules dures, principalement du phosphate de calcium ; l'autre est une fibre souple, le collagène. Les granules dures seules casseraient comme de la craie, et les fibres seules ne pourraient rien soutenir, comme du caoutchouc. C'est leur association qui donne à l'os à la fois dureté et ténacité — un peu comme le béton armé, renforcé par des barres d'acier.
Il existe une maladie où l'activité de l'équipe qui creuse est déficiente dès la naissance : dans ce cas, l'os devient plus épais et plus lourd. Pourtant, on sait que cet os est au contraire plus sujet aux fractures. C'est que le vieil os et ses fissures ne sont jamais évacués. Cet exemple montre que la solidité d'un os ne dépend pas que de sa quantité.
En résumé
L'os n'est pas une pièce achevée une fois pour toutes. Une équipe qui creuse et une équipe qui comble parcourent le squelette en binôme, jetant le vieil os fissuré et redéplaçant la matière vers les zones sollicitées. C'est pourquoi il s'épaissit à l'usage et s'amincit sans elle. On ne l'imaginerait pas à voir un os blanc de musée, mais votre squelette est en chantier aujourd'hui même.
L'os n'est pas solide parce qu'il ne change jamais.
Il reste solide parce qu'il ne cesse d'être reconstruit.
Le mécanisme par lequel la forme elle-même engendre la solidité est traité dans Pourquoi une coquille d'œuf ne casse-t-elle pas quand on la serre dans la main, mais casse au moindre choc sur le bord ?, et un autre exemple où le corps se répare lui-même est présenté dans Comment une coupure se referme-t-elle ?. Fait du même calcium, mais sans ce mécanisme de reconstruction cellulaire, la dent fait exception. Cette différence est expliquée dans La dent est la partie la plus dure du corps, alors pourquoi les caries la dissolvent-elles ?.
- Lavez et séchez bien un os de poulet après le repas, puis pliez-le légèrement à la main. Vous constaterez qu'il ne casse pas net comme une pierre dure, mais fléchit d'abord un peu avant de rompre. La preuve que ce n'est pas un matériau fait uniquement de granules dures.
- Faites tremper le même os dans du vinaigre alimentaire pendant 2 à 3 jours. Les composants durs se dissolvent dans le vinaigre, ne laissant que les fibres souples : l'os finit par plier comme du caoutchouc (l'effet est d'autant plus net sur un os fin).
- Mesurez et comparez le tour de poignet de votre main dominante et de l'autre. Le côté le plus utilisé est parfois légèrement plus épais. Cet écart serait plus marqué chez les personnes pratiquant un sport sollicitant surtout un bras, comme le tennis.
Les os crus et le jus de viande favorisent facilement les bactéries : utilisez toujours des os bien cuits et bien nettoyés, et lavez-vous les mains après manipulation. Ne mangez pas l'os trempé dans le vinaigre.
Pour aller plus loin ― terminologie, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de lycée « sciences de la vie »
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon vu au lycée : contenu universitaire spécialisé (métabolisme osseux, science des biomatériaux)
- RechercheNon enseigné comme « acquis » même à l'université : sujet encore activement étudié par les chercheurs
CollègeTerminologie : ce phénomène a un nom
- Remodelage osseux : le processus, qui dure toute la vie, de destruction du vieil os et de sa reconstruction au même endroit.
- Ostéoclaste : cellule qui sécrète des acides et des enzymes pour dissoudre le vieil os. C'est « l'équipe qui creuse » de l'article.
- Ostéoblaste : cellule qui fournit la matière du nouvel os pour le comblement. C'est « l'équipe qui comble » de l'article.
- Ostéocyte : cellule restée piégée dans l'os, reliée aux autres en un réseau ; on pense qu'elle perçoit les contraintes mécaniques et donne des instructions à l'équipe qui creuse et à celle qui comble.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle quantité d'os est renouvelée chaque jour ?
La majeure partie du calcium du corps se trouve dans les os. À partir du taux de renouvellement annuel de l'os, estimons la quantité de calcium qui circule chaque jour. Les unités utilisées sont le g (gramme) et le mg (milligramme).
| Convention de symboles et d'unités | g pour gramme, mg pour milligramme (1 g = 1000 mg) |
| Quantité de calcium dans le corps d'un adulte | environ 1000 g (dont la majeure partie serait dans les os) |
| Taux de renouvellement annuel de l'os | environ 10 % (ordre de grandeur approximatif chez l'adulte) |
| Calcium d'un verre de lait (200 mL) | environ 220 mg |
| Nombre de jours dans l'année | 365 jours |
| Calcium renouvelé par an (g) | 1000 × 0,1 = 100 |
| Ramené à un jour (g) | 100 ÷ 365 ≒ 0,27 |
| Conversion g en mg | 0,27 × 1000 = 270 |
Environ 270 mg de calcium par jour, soit un peu plus qu'un verre de lait, sortiraient donc de l'os puis y retourneraient, selon ce calcul. L'os n'est pas un entrepôt figé, mais plutôt un grossiste avec des entrées et des sorties permanentes.
LycéeLycée+Pourquoi ce détour consistant à « détruire avant de reconstruire » ?
LycéeLes métaux et les résines, soumis à des contraintes répétées, développent en leur sein de petites fissures qui finissent par provoquer une rupture brutale : c'est la fatigue des matériaux. L'os subit le même destin en tant que matériau, mais étant vivant, il dispose d'une parade : remplacer entièrement la zone fissurée. Pour une fissure interne, impossible à colmater depuis la surface, creuser puis jeter est la solution la plus sûre.
Lycée+L'ostéocyte piégé dans l'os meurt quand une fissure apparaît à cet endroit. Cette mort servirait de signal « creusez ici », qui appellerait l'équipe de démolition. L'os posséderait donc un mécanisme interne pour signaler lui-même l'endroit endommagé.
UniversitéL'idée que la force façonne la forme
L'idée que la forme de l'os évolue selon la répartition des forces qui s'y exercent est connue depuis le XIXe siècle ; on l'appelle loi de Wolff, du nom de son auteur. Dans la seconde moitié du XXe siècle, cette idée a été formalisée dans un cadre où il existerait une « fourchette optimale » d'amplitude de déformation osseuse : en dessous, l'os diminue ; au-dessus, il augmente. La science des biomatériaux exploite cette propriété dans la conception des prothèses articulaires : si la pièce métallique est trop rigide par rapport à l'os, le métal absorbe toute la force, la force ne se transmet plus à l'os environnant, et celui-ci finit paradoxalement par s'amenuiser.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Comment la force est-elle « perçue » ? On ne sait pas encore si les ostéocytes détectent la déformation elle-même ou le déplacement du liquide dans les fins canaux de l'os.
- Comment s'équilibrent la quantité creusée et la quantité comblée ? Plusieurs hypothèses coexistent encore quant à la raison pour laquelle l'équipe qui comble finit par ne plus suivre avec l'âge.
- Jusqu'où peut-on limiter la perte osseuse dans l'espace ? On étudie encore, à mesure que les séjours longs se multiplient, jusqu'où l'exercice et les médicaments peuvent freiner cette perte, et jusqu'où elle se résorbe au retour sur Terre.
Autrement dit, le contenu de cet article correspond lui aussi à « l'explication actuellement connue ». L'os a beau paraître silencieux, c'est en réalité un domaine où la recherche avance encore.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences · structure du corps animal | L'os et le rôle des cellules |
| Lycée | Sciences de la vie · maintien du milieu intérieur / physique · force et déformation | L'équilibre entre équipe qui creuse et équipe qui comble |
| Lycée+ | Biologie · communication entre cellules | Le mécanisme du signal déclenché par la fissure |
| Université | Métabolisme osseux · science des biomatériaux · orthopédie | La loi de Wolff et la conception des prothèses articulaires |
| Recherche | Biologie osseuse · médecine spatiale | Le mécanisme de perception des forces, la perte osseuse dans l'espace |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi l'exercice et l'alimentation influent sur la masse osseuse |
- Recommandations pour la prévention et le traitement de l'ostéoporose (Société japonaise d'ostéoporose et al., 骨粗鬆症の予防と治療ガイドライン, 日本骨粗鬆症学会ほか) ― bases du remodelage osseux et de l'évolution de la masse osseuse avec l'âge.
- Frost, H. M., « Bone's mechanostat: a 2003 update », The Anatomical Record, 275A (2003) ― relation entre l'amplitude de déformation osseuse et l'augmentation ou la diminution de la masse osseuse.
- Wolff, J., « Das Gesetz der Transformation der Knochen » (1892) ― l'énoncé classique selon lequel la forme de l'os évolue en fonction des forces.
- National Aeronautics and Space Administration (NASA) ― page consacrée aux activités spatiales habitées (aperçu des effets des séjours spatiaux sur le corps).
- Table de composition standard des aliments du Japon (Ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie, 日本食品標準成分表, 文部科学省) ― teneur en calcium du lait.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs chiffrées indiquées sont des repères ou des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La masse et la solidité osseuses varient considérablement d'une personne à l'autre ; pour toute décision liée à votre état de santé ou à un traitement, veuillez consulter un professionnel tel qu'un médecin.