Pourquoi la pression artérielle d'une girafe est-elle deux fois plus élevée que la nôtre ?
― Deux mètres jusqu'à la tête. Le cœur soulève le sang, avec tout son poids
Le sang est un liquide, donc il a un poids. Plus on l'envoie haut, plus ce poids pèse sur le cœur. Le cerveau de la girafe se trouve à environ deux mètres au-dessus de son cœur. C'est pourquoi le cœur de la girafe pomperait le sang à une pression environ deux fois supérieure à celle de l'humain. Mais que se passe-t-il quand elle baisse la tête jusqu'au sol pour boire ?
Vous êtes accroupi pour nouer vos lacets, puis vous vous relevez d'un coup. Votre vue se trouble, tout devient blanc, et vous chancelez. Cela vous est-il déjà arrivé ?
C'est ce qu'on appelle l'étourdissement. La tête vient juste de monter un peu plus haut que le cœur, et pour un instant, le sang manque au cerveau. Chez l'humain, cette différence de hauteur n'est que de 30 à 40 centimètres.
Alors, que fait la girafe, dont la tête se trouve deux mètres au-dessus du cœur ? Et en plus, chaque fois qu'elle boit, elle abaisse la tête jusqu'au sol, puis la relève à deux mètres de hauteur. Pourtant, elle ne chancelle pas et ne s'effondre pas.
Deux grandes raisons à cela
Faire monter le sang sur deux mètres demande une pression supplémentaire. Le cœur de la girafe a des parois épaisses et produirait une pression environ deux fois supérieure à celle de l'humain.
Des valves qui empêchent le reflux quand la tête s'abaisse, une peau qui serre fortement les pattes : le corps est équipé de dispositifs, un peu partout, pour encaisser une forte pression.
Voyons d'abord pourquoi la « hauteur » se transforme en pression.
Faire monter le sang demande une force égale à son poids
Si l'on soulève bien haut l'une des extrémités d'un tuyau rempli d'eau, l'eau ne monte que jusqu'à un certain point. C'est parce que le poids de l'eau située au-dessus repousse l'eau du bas. C'est pareil pour le sang dans les vaisseaux. Le sang qui monte depuis le cœur doit repousser le poids du sang situé au-dessus de lui.
La pression due au poids du sang est à peu près proportionnelle à la hauteur. Chaque mètre de plus fait baisser la pression artérielle d'environ 77 mmHg (millimètres de mercure). La tête de l'humain se trouvant environ 35 centimètres au-dessus du cœur, la baisse n'est que d'environ 27 mmHg. Mais chez la girafe, sur deux mètres, la baisse atteint environ 150 mmHg.
Le cerveau a besoin de recevoir du sang à une certaine pression minimale, en continu. C'est pourquoi le cœur de la girafe pompe habituellement le sang à très forte pression. À la sortie du cœur, la pression dépasserait 200 mmHg, soit environ le double de celle de l'humain. Chez l'humain, une telle valeur exigerait un traitement immédiat.
Regardez la figure 1. Elle montre comment la pression artérielle, à hauteur du cerveau, varie quand la girafe lève ou baisse la tête.
Quand la tête s'abaisse, comment le cerveau reste-t-il indemne ?
En poussant le curseur de la figure 1 tout à gauche, la pression artérielle à hauteur du cerveau atteint environ 340 mmHg. C'est que la forte pression du cœur et le poids du sang qui pèse par-dessus s'additionnent, cette fois tous deux en direction du cerveau. Si un humain subissait une telle pression, ses petits vaisseaux risqueraient d'être endommagés.
Pourtant, la girafe réelle ne souffre pas en buvant. La grosse veine du cou comporte plusieurs valves qui empêchent le reflux du sang. On pense qu'elles empêchent le sang, qui devrait retourner au cœur, de refluer et de s'accumuler vers la tête quand celle-ci s'abaisse. De plus, autour des vaisseaux de la tête, un mécanisme atténuerait les changements brusques de pression. Mais l'efficacité réelle de ce mécanisme reste encore à l'étude.
Un autre point délicat concerne les pattes. L'extrémité des pattes de la girafe se trouve environ deux mètres plus bas que le cœur. Le poids du sang s'y ajoute donc, et le calcul donne une pression bien plus élevée qu'à la sortie du cœur. Chez l'humain, cela provoquerait un suintement de liquide hors des vaisseaux, et un gonflement de la jambe. Chez la girafe, la peau des pattes et la membrane sous-jacente sont très rigides, et compriment les vaisseaux de l'extérieur comme des bas très serrés. Cette compression limiterait ce suintement de liquide, selon les études.
On sait que la position du cœur chez les serpents varie selon leur mode de vie. Le serpent grimpeur se dresse souvent, la tête haute, pendant de longues périodes. Son cœur serait donc plus proche de la tête, réduisant ainsi la hauteur à franchir jusqu'au cerveau. À l'inverse, le serpent marin est porté par l'eau, donc le poids du sang pose moins de problème, et son cœur se trouve plutôt au milieu du corps. Face à la même contrainte physique — le poids du sang —, chaque espèce a trouvé sa propre réponse.
Si les grands dinosaures au long cou portaient la tête très haute, leur cerveau se trouvait à plusieurs mètres au-dessus du cœur. Dans ce cas, la pression artérielle nécessaire est estimée à plusieurs fois celle de la girafe. D'où l'hypothèse qu'ils ne levaient peut-être pas la tête aussi haut. Comme seuls des os ont été conservés, la question n'est pas tranchée.
En résumé
Le sang a un poids : plus on l'envoie haut, plus il faut de pression. La girafe a épaissi les parois de son cœur pour amener le sang jusqu'au cerveau avec une pression environ deux fois supérieure à celle de l'humain. Elle dispose en plus de valves et d'une peau rigide pour empêcher la pression de trop monter, quand la tête s'abaisse ou à l'extrémité des pattes. Notre étourdissement n'est que la même physique, qui se manifeste un peu, pour une différence de quelques dizaines de centimètres seulement.
Être grand, c'est devoir soulever sans cesse un sang qui pèse.
L'hypertension de la girafe n'est pas une maladie : c'est une caractéristique de sa conception.
Le retour du sang des pattes vers le cœur est expliqué dans « Pourquoi les jambes gonflent-elles en restant debout longtemps ? », et les changements du corps en altitude dans « l'article sur le mal des montagnes ».
- Remplissez d'eau un tuyau en plastique transparent (1 à 2 mètres), et bouchez les deux extrémités avec les doigts.
- Plongez une extrémité dans un seau d'eau et retirez le doigt, puis, en gardant l'autre extrémité bouchée, soulevez-la progressivement de plus en plus haut.
- Comparez l'intensité de la succion ressentie par le doigt qui bouche l'extrémité supérieure, selon la hauteur atteinte.
Plus on soulève haut, plus la succion sur le doigt est forte. C'est le poids de l'eau du haut qui tire vers le bas. Le cœur de la girafe repousse ainsi, chaque seconde, l'équivalent de deux mètres d'eau. Pour manipuler de l'eau, faites-le en extérieur ou dans une salle de bain, pour ne rien mouiller autour de vous.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesdu collège jusqu'aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau du programme de sciences au collège
- Lycéeniveau des matières « physique » et « biologie » du lycée
- Lycée+contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (physiologie comparée, biomécanique des fluides)
- Recherchecontenu qui n'est même pas enseigné à l'université comme une certitude établie, et que les chercheurs étudient encore activement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Pression hydrostatique : pression due au poids d'un liquide. Plus on va en profondeur, plus elle est élevée. Le même phénomène se produit dans le sang.
- Pression artérielle : force avec laquelle le sang, dans les vaisseaux, appuie sur leurs parois. On l'exprime généralement en « millimètres de mercure soulevés » (mmHg).
- Hypotension orthostatique (étourdissement) : état où la pression artérielle à hauteur de la tête baisse temporairement en se levant, provoquant un vertige.
CollègeLycéeVérification par le calcul : la pression artérielle nécessaire au cœur de la girafe
Supposons qu'on veuille conserver une pression artérielle d'environ 70 mmHg à hauteur du cerveau (hypothèse basée sur la valeur à hauteur de la tête humaine). Estimons, avec la formule de pression des liquides, la pression nécessaire à la sortie du cœur.
| En symboles | P_cœur ＝ P_cerveau ＋ ρ × g × h |
| En mots | Pression à la sortie du cœur ＝ pression nécessaire au cerveau ＋ densité du sang × accélération de la gravité × hauteur entre le cœur et le cerveau |
| Origine de la formule | Équilibre des pressions dans un liquide (formule de la pression hydrostatique). Le poids de la colonne de sang sur une hauteur h devient la pression qui appuie sur le sang du bas. |
| Symbole | Signification et unité |
| ρ | Densité du sang (kg/m³). Un peu plus lourd que l'eau |
| g | Accélération de la gravité (m/s²) |
| h | Hauteur entre le cœur et le cerveau (m) |
| P | Pression artérielle (mmHg). 1 mmHg = 133,3 Pa |
| Densité du sang | environ 1050 kg/m³ |
| Accélération de la gravité | 9,8 m/s² |
| Hauteur cœur-cerveau chez la girafe (adulte, estimation) | environ 2 m |
| Hauteur cœur-cerveau chez l'humain | environ 0,35 m |
| Pression à conserver au cerveau (hypothèse) | environ 70 mmHg |
| Pression par mètre de colonne de sang (Pa) | 1050 × 9,8 ＝ 10290 |
| Pression sur 2 m chez la girafe (Pa) | 10290 × 2 ＝ 20580 |
| Conversion en mmHg | 20580 ÷ 133,3 ≒ 154 |
| Pression nécessaire au cœur de la girafe | 154 ＋ 70 ＝ 224 |
| Pression sur 0,35 m chez l'humain (Pa) | 10290 × 0,35 ＝ 3601,5 |
| Conversion en mmHg | 3601,5 ÷ 133,3 ≒ 27 |
| Pression nécessaire au cœur humain | 27 ＋ 70 ＝ 97 |
| Combien de fois plus pour la girafe | 224 ÷ 97 ≒ 2,3 |
On obtient ainsi environ 224 mmHg à la sortie du cœur, soit un peu plus du double de l'humain. Cela concorde globalement avec les valeurs mesurées chez la girafe (plus de 200 mmHg). Inversement, si la tête descend de 1,5 m sous le cœur, 10290 × 1,5 ＝ 15435 Pa s'ajoutent, soit environ 116 mmHg de plus. À hauteur du cerveau, cela donne environ 224 ＋ 116 ＝ 340 mmHg, la valeur à l'extrémité gauche de la figure 1.
LycéeLycée+Le cœur est une pompe, les vaisseaux sont des tuyaux
LycéeEn physique au lycée, on apprend que la pression à une profondeur h dans un liquide s'écrit « ρ × g × h ». C'est la même formule qui explique la douleur aux oreilles au fond d'une piscine. Le sang, étant un liquide, suit exactement cette formule. En biologie, on apprend que le ventricule gauche du cœur envoie le sang dans tout le corps. Chez la girafe, la paroi de ce ventricule gauche est très épaisse.
Lycée+Un tube à paroi plus épaisse résiste à une pression plus élevée. La tension subie par la paroi d'un tube est proportionnelle à la pression et au rayon (loi de Laplace). Le cœur de la girafe ne serait pas particulièrement grand par rapport à la taille de son corps. En revanche, il épaissirait ses parois et réduirait la taille de ses cavités internes pour produire une pression élevée.
UniversitéPression hydrostatique et mécanismes anti-œdème
La formule de cet article est l'équation de base de l'hydrostatique (formule de pression hydrostatique). L'apparition d'un œdème dans la jambe dépend de l'équilibre entre la différence de pression de part et d'autre de la paroi des vaisseaux, et la force avec laquelle les protéines du sang retiennent l'eau (loi de Starling). Chez la girafe, la peau rigide et le fascia des pattes maintiendraient une pression externe élevée, préservant cet équilibre, selon les travaux de Hargens et al. Quant au mécanisme qui maintiendrait le flux sanguin au cerveau quand la tête s'abaisse, un débat existe sur la validité d'un « effet siphon » (phénomène de liquide qui s'écoule au-dessus d'un sommet dans un tube).
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Hydrostatique (pression hydrostatique) ― Wikipédia (en japonais) ／ Pression artérielle ― Wikipédia (en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Comment le cerveau est-il protégé quand la tête s'abaisse ? On sait que les valves de la veine du cou jouent un rôle, mais on ignore encore dans quelle mesure la régulation autour des vaisseaux cérébraux intervient, car la mesure reste difficile.
- Le cœur des dinosaures au long cou. S'ils portaient la tête très haute, une pression considérable aurait été nécessaire. Plusieurs hypothèses existent sur l'angle du cou et la structure du cœur.
- Pourquoi l'hypertension n'endommage-t-elle pas le corps de la girafe ? Chez l'humain, une pression artérielle élevée et prolongée abîme le cœur et les vaisseaux. Le mécanisme qui permet aux cellules de la girafe de résister est encore à l'étude, y compris au niveau génétique.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « ce que l'on comprend dans l'état actuel des connaissances ». Le mécanisme de protection lors de l'abaissement de la tête, en particulier, pourrait être révisé par de futures recherches.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, domaine 1 « pression des liquides » / domaine 2 « circulation sanguine » | Le poids du sang qui devient pression |
| Lycée | Physique « pression des liquides » / biologie « cœur et système circulatoire » | Vérification par le calcul, paroi du ventricule gauche |
| Lycée+ | Approfondissement de physique « tension de la paroi d'un tube » | Épaississement des parois pour produire une pression élevée |
| Université | Physiologie comparée, biomécanique des fluides | Mécanisme anti-œdème de la patte, débat sur le siphon |
| Recherche | Paléontologie, physiologie comparée | Dinosaures au long cou, régulation lors de l'abaissement de la tête |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Étourdissement, gonflement des jambes |
- Hargens AR, Millard RW, Pettersson K, Johansen K (1987) Gravitational haemodynamics and oedema prevention in the giraffe. Nature 329: 59–60.
- Mitchell G, Skinner JD (2009) An allometric analysis of the giraffe cardiovascular system. Comparative Biochemistry and Physiology Part A 154: 523–529.
- Lillywhite HB (1988) Snakes, blood circulation and gravity. Scientific American 259(6): 92–98.
- Seymour RS, Lillywhite HB (2000) Hearts, neck posture and metabolic intensity of sauropod dinosaurs. Proceedings of the Royal Society B 267: 1883–1887.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs chiffrées indiquées sont des estimations servant à comprendre les mécanismes en jeu. La pression artérielle de la girafe varie selon la méthode de mesure et les individus. En cas d'étourdissements fréquents, consultez un professionnel de santé.