MILIEU INTÉRIEUR

MILIEU INTÉRIEUR

«Il y a pour l’animal deux milieux: un milieu extérieur dans lequel est placé l’organisme, et un milieu intérieur dans lequel vivent les éléments des tissus» (Claude Bernard, 1878).

À l’époque de C. Bernard, alors que le niveau d’organisation cellulaire des êtres vivants n’était pas encore perçu avec acuité, le milieu liquide intérieur était assimilé «au plasma, à la lymphe et aux liquides interstitiels», c’est-à-dire aux liquides extracellulaires. L’accent était mis sur la «fixité de la composition» de ce milieu extracellulaire comme «condition de la vie libre et indépendante» chez les êtres élevés en organisation. Cependant, nous savons actuellement que les processus biologiques se déroulent dans les cellules et qu’un grand nombre d’organismes incapables de maintenir la fixité de composition de leur milieu extracellulaire peuvent néanmoins réguler celle des liquides intracellulaires et assurer par là une certaine indépendance des phénomènes vitaux vis-à-vis des fluctuations de l’ambiance. Il n’en reste pas moins que le concept initial de C. Bernard, dans lequel la référence au compartiment cellulaire n’existe pas, est tout à fait général et s’applique aussi bien aux milieux extra- qu’intracellulaires dont la composition et les caractéristiques doivent, pour que soit conservée l’intégrité des processus vitaux, être maintenues dans certaines limites par des régulations appropriées. Néanmoins, la conception classique restreignant le milieu intérieur au compartiment liquidien extracellulaire conserve un grand intérêt pour la physiologie comparative. Ce compartiment constitue, en effet, une première barrière interposée entre les cellules et le milieu extérieur. Sa composition, très différente de celle du liquide intracellulaire et très diverse dans l’échelle des animaux, reflète non seulement les exigences et les caractéristiques physiologiques propres aux différents organismes, mais aussi leur histoire évolutive ainsi que l’influence de nombreux facteurs nutritionnels et environnementaux.

1. Fonctions et caractéristiques générales des milieux intérieurs

Le milieu intérieur extracellulaire est l’intermédiaire obligatoire pour tous les échanges entre les cellules de l’organisme et avec le milieu extérieur. Il est donc parcouru en permanence par un flux de substances très diverses: gaz respiratoires, métabolites aliments des cellules, déchets du métabolisme. Il permet aussi le transfert d’informations entre les différents organes sous la forme de messagers chimiques, les hormones, qui participent à l’intégration harmonieuse des différentes fonctions. Enfin, il est le véhicule des éléments, cellulaires ou non, du système immunitaire de défense contre les agressions externes. Ses fonctions sont donc multiples, mais il doit aussi présenter une composition sinon constante, du moins maintenue dans des limites compatibles avec le bon fonctionnement des cellules ^{[cf. HOMÉOSTASIE]}.

Les exigences se rapportant à ce dernier point peuvent être reconnues aisément. D’abord, une quantité adéquate d’eau doit être retenue dans le compartiment extracellulaire. Un volume extracellulaire convenable conditionne l’efficacité mécanique de la circulation. Compte tenu de la perméabilité à l’eau généralement élevée des téguments externes et des membranes cellulaires, le maintien du volume est lié à celui de l’osmolarité. Par ailleurs, les sels dissous doivent s’y trouver en concentrations appropriées avec des rapports ioniques convenables. Les flux de substances nutritives au travers des membranes cellulaires dépendant de leur concentration, on conçoit également que celles-ci doivent être maintenues à un niveau approprié. De même, les déchets toxiques du métabolisme cellulaire doivent être excrétés de sorte que leurs concentrations restent limitées. Enfin, divers paramètres physiques ou chimiques sont typiquement soumis à des régulations plus ou moins précises: c’est le cas de la température chez les homéothermes, de la pression sanguine, de l’équilibre acido-basique et du pH ainsi que des pressions partielles des gaz respiratoires ² et C². Les mécanismes impliqués dans ces régulations font intervenir de nombreux organes et fonctions. Leurs modalités, ainsi que la précision avec laquelle ils opèrent, sont très variées selon les organismes de sorte que les milieux intérieurs correspondent à un certain nombre de types. C’est cette diversité que l’on fera ressortir ici, en insistant plus particulièrement sur sa relation avec les caractéristiques de l’environnement.

2. Les composants inorganiques

Les sels dissous dans les liquides extracellulaires constituent dans la majorité des cas l’essentiel des solutés osmotiquement actifs. En dehors de cette fonction osmotique, les ions sont impliqués dans l’excitabilité cellulaire et dans la transmission des messages nerveux, d’où l’existence de rapports ioniques relativement constants pour une espèce donnée. Si le chlorure de sodium constitue ordinairement le composant inorganique extracellulaire principal, des différences qualitatives et quantitatives considérables existent, que l’on peut rapporter pour l’essentiel à la nature de l’environnement.

Animaux marins

On considère habituellement que la vie est née dans la mer. Plus certainement, l’essentiel de l’évolution des Métazoaires a eu lieu en milieu marin. L’un des arguments les plus convaincants en faveur de cette idée est le fait que tous les grands taxons du règne animal ont des représentants marins actuels et que les espèces présentes d’eau douce ou terrestres appartiennent à des phylums ayant des représentants marins. En fait, on retrouve dans le milieu intérieur de tous les animaux les ions majeurs entrant dans la composition de l’eau de mer (Na, K, Ca, Mg, Cl, S⁴), avec cependant des concentrations totales et des proportions relatives souvent différentes (cf. tableau). L’hypothèse de Mc Callum (1926), selon laquelle la composition actuelle des liquides extracellulaires des animaux représente celle de l’eau de mer à l’époque à laquelle tel ou tel groupe a réalisé la séparation d’un milieu intérieur d’avec le milieu extérieur, est actuellement tombée en désuétude. En effet, il est très probable que la composition de l’eau océanique est restée stable depuis le début du Cambrien.

Les Invertébrés marins ont pratiquement toujours un milieu intérieur isosmotique à l’eau de mer. Cette situation correspond cependant à deux types différents. Chez les Échinodermes, la plupart des Annélides (Arenicola par exemple, cf. tableau) et des Mollusques ainsi que pour divers phylums mineurs, les concentrations de tous les ions sont pratiquement identiques à celles de l’eau de mer. La plupart de ces animaux se comportent comme des osmomètres lorsqu’ils sont placés en milieu dilué ou concentré et sont incapables de réguler leur volume extracellulaire. Leurs capacités osmorégulatrices sont nulles ou très limitées, et leur milieu intérieur est en équilibre passif avec le milieu externe (équilibre de Donnan). Il n’en est pas de même chez d’autres Invertébrés, en particulier les Crustacés (le crabe Carcinus par exemple, cf. tableau). Chez ceux-ci, le milieu intérieur est toujours isosmotique ou très légèrement hyperosmotique en eau de mer normale, mais les concentrations de la plupart des ions diffèrent de celles de l’eau de mer. Cela est particulièrement marqué pour le magnésium et le sulfate qui sont maintenus à des concentrations souvent très inférieures à celles présentes dans le milieu ambiant grâce à une excrétion urinaire active (glande verte ou rein antennaire).

Une situation analogue se trouve chez les Myxinoïdes, Vertébrés Agnathes marins primitifs. Chez Myxine glutinosa , le plasma sanguin est isosmotique à l’eau de mer, cette isosmoticité étant due uniquement aux sels, alors que la concentration de la plupart des ions est sensiblement différente de celle présente dans le milieu extérieur. Il n’en est pas de même chez d’autres Agnathes, les Lamproies marines, dont le milieu intérieur est analogue à celui des Téléostéens (voir plus loin), c’est-à-dire très hypo-osmotique à l’eau de mer.

Les Élasmobranches marins ont typiquement un milieu intérieur isosmotique à l’eau de mer. Mais l’osmolarité due aux sels inorganiques ne représente que 500 mosmol/l environ, un complément osmotique étant obtenu par accumulation de déchets azotés, l’oxyde de triméthylamine (TMAO) et surtout l’urée qui est conservée grâce à une réabsorption par le tubule rénal. Des concentrations élevées de ces substances sont permises grâce à des adaptations spéciales des protéines, hémoglobine en particulier, les rendant peu sensibles au pouvoir dénaturant de l’urée. Il est à noter que l’urée est aussi accumulée comme complément osmotique chez la Grenouille Rana cancrivora qui vit dans les eaux saumâtres des mangroves de l’Asie du Sud-Est, ainsi que chez le Cœlacanthe Latimeria . Les concentrations plasmatiques élevées de potassium rapportées dans le tableau pour cette espèce sont sans doute surestimées à cause d’une hémolyse partielle des échantillons de sang congelé.

Les Téléostéens marins, enfin, ont un milieu intérieur très hypo-osmotique par rapport à l’eau de mer (1/3 environ) et dont la composition ionique est très voisine de celle des Téléostéens d’eau douce et des Vertébrés supérieurs aériens. De ce fait, ils sont confrontés en permanence à une perte d’eau osmotique qu’ils compensent en buvant de l’eau de mer, les sels en excès étant excrétés activement au niveau de la branchie car ils sont incapables de produire une urine hyperosmotique. La composition en sels du milieu intérieur des Élasmobranches et des Téléostéens marins étant voisine de celle des Vertébrés d’eau douce, on considère que ces formes sont dérivées d’ancêtres d’eau douce retournés secondairement à la mer.

Il est à noter que les Vertébrés supérieurs revenus au milieu marin (Tortues et Serpents marins, Mammifères marins) ont un milieu intérieur en tout point semblable à celui de leurs congénères terrestres.

Animaux d’eau douce

La teneur totale en sels des eaux douces est toujours très faible. La concentration de certains ions: calcium, carbonates, sulfates, magnésium, etc., peut être également très variable.

Tous les organismes d’eau douce ont un milieu intérieur plus ou moins hyperosmotique par rapport au milieu extérieur. Leurs capacités osmorégulatrices sont cependant variables. Grossièrement, on peut distinguer deux types. D’une part, certains Invertébrés comme les Bivalves (Anodonta ) et les Gastéropodes (Paludina , Lymnea ) d’eau douce ont un milieu intérieur très peu concentré, 40-100 mosmol/l au total. D’autre part, d’autres Invertébrés (Écrevisses, Sangsues, larves d’Insectes aquatiques) ainsi que les Téléostéens présentent une concentration osmotique interne plus élevée, de l’ordre de 300 mosmol/l, voisine de celle des Téléostéens marins et des Vertébrés terrestres.

Certains Élasmobranches sont susceptibles d’entrer temporairement dans les rivières et quelques-uns, telle la Raie Potamotrygon de l’Orénoque et de l’Amazone (cf. tableau), vivent même en permanence en eau douce. Ces derniers ont totalement perdu la capacité de retenir l’urée, et leur milieu intérieur est analogue à celui des Téléostéens.

Animaux euryhalins

Alors que certains organismes, marins ou d’eau douce, ne peuvent survivre qu’en milieu de salinité stable (sténohalins), d’autres, dits euryhalins, sont plus ou moins tolérants aux fluctuations de la teneur en sels de leur environnement. L’euryhalinité existe à un degré plus ou moins important chez beaucoup d’espèces aquatiques et culmine chez les migrateurs amphibiotiques dont le cycle biologique comporte une phase marine et une phase d’eau douce (Crabe chinois, Saumon, Anguille, etc.). Les capacités osmorégulatrices des espèces euryhalines sont diversement développées et quelques types de comportement sont représentés dans la figure 1. Certaines espèces sont totalement «osmoconformes», leur milieu intérieur suivant passivement les changements de concentration de l’eau externe. D’autres peuvent plus ou moins compenser les fluctuations du milieu extérieur, mais des variations de l’osmolarité du milieu intérieur existent pratiquement toujours, nécessitant la présence de mécanismes de régulation du volume et de l’osmolarité cellulaires, celle-ci devant en permanence être ajustée à celle du milieu intérieur. Les cellules de ces animaux possèdent en effet la faculté de contrôler leur pression osmotique par des variations, soit de leur contenu en sels (surtout Vertébrés), soit de la concentration intracellulaire de substances organiques de faible poids moléculaire, acides aminés libres en particulier (Invertébrés marins). Le défaut de régulation précise du milieu intérieur est donc dans ce cas suppléé par une régulation isosmotique intracellulaire.

Animaux terrestres

Le milieu terrestre pose de façon aiguë le problème de la conservation de l’eau qui peut être perdue par évaporation dans l’air. C’est pourquoi les organismes aériens ont développé des téguments secs et peu perméables à l’eau.

Les Arthropodes terrestres comprennent des Arachnides (Araignées et Scorpions), dont le milieu intérieur présente une concentration osmotique relativement élevée (400-600 mosmol/l), et surtout les Insectes. Chez ces derniers, l’osmolarité interne, de l’ordre de 300 à 400 mosmol/l, est due à des substances dissoutes très diverses. Chez les Aptérygotes et la plupart des Exoptérygotes (comme la Blatte Periplaneta , cf. tableau), les effecteurs osmotiques extracellulaires sont essentiellement des ions avec dominance du NaCl. Chez beaucoup d’Endoptérygotes, les concentrations ioniques du milieu intérieur sont plus faibles et atypiques, riches en K et Mg et pauvres en Na. Cette situation se rencontre chez beaucoup de larves de Coléoptères et de Lépidoptères (Bombyx ), et est peut-être en rapport avec un régime alimentaire phytophage pauvre en Na et riche en K. L’osmolarité totale atteint cependant des valeurs de 300-400 mosmol/l, grâce à un complément organique important constitué surtout d’acides aminés libres.

Les Vertébrés terrestres: Reptiles, Oiseaux et Mammifères, ont un milieu intérieur de composition ionique et osmotique remarquablement homogène dont l’osmolarité totale est comprise entre 300 et 350 mosmol/l, voisine de celle des Poissons Téléostéens.

3. Les composants organiques

Ils sont extrêmement nombreux et très divers, aussi bien par leur nature chimique que par leur signification fonctionnelle. Les uns, relativement constants comme les protéines ou comme, dans certains cas cités plus haut, l’urée et les acides aminés, déterminent certaines des propriétés physico-chimiques du liquide extracellulaire (pression osmotique et oncotique, pouvoir tampon). D’autres sont seulement des substances en transit, dont la concentration peut varier largement en fonction des conditions physiologiques.

Dans cette dernière catégorie, on compte de nombreux métabolites. Les formes de transport des substances nutritives sont diverses. Pour les glucides, il s’agit de sucres simples, la plupart du temps le glucose, mais aussi le tréhalose chez certains Arthropodes comme les Insectes. Les acides aminés constituent la forme de transport principale des matériaux protidiques. Quant aux lipides, leur diversité est considérable: acides gras libres, glycérides sous des formes plus ou moins complexes, phospholipides... Ces substances nutritives sont transportées par le milieu intérieur, soit à destination des cellules utilisatrices, soit vers des organes de réserve ^{[cf. SANG]}.

En dehors du dioxyde de carbone, les déchets transportés par le milieu intérieur sont essentiellement ceux résultant du catabolisme azoté. Il existe une relation entre la nature chimique des déchets azotés, leur toxicité et la plus ou moins grande disponibilité de l’eau dans le milieu ^{[cf. EXCRÉTION (physiologie animale)]}. Le déchet azoté le plus simple est l’ammoniac, très toxique mais très soluble et facilement excrété dans l’eau par diffusion. C’est pourquoi beaucoup d’animaux aquatiques sont ammoniotéliques. Dans l’impossibilité d’une fourniture d’eau suffisante, l’ammoniac ne peut plus être détoxifié efficacement par excrétion et le déchet azoté est l’urée (Amphibiens, Mammifères), moins toxique mais nécessitant cependant une certaine quantité d’eau pour être éliminé. Chez un Amphibien Anoure comme la Grenouille, le têtard est ammoniotélique alors que l’adulte est surtout uréotélique. En revanche, le Xénope, plus aquatique que la Grenouille, est ammoniotélique à l’état adulte mais devient uréotélique après acclimatation en eau salée, ce qui correspond évidemment à une réduction de la disponibilité en eau. Chez beaucoup d’animaux purement terrestres (Insectes, Reptiles), le déchet azoté est l’acide urique, peu soluble et pouvant être excrété sous forme semi-solide, avec une perte d’eau minimale.

Les milieux intérieurs des animaux contiennent toujours une certaine quantité de macromolécules protéiques. Selon que l’appareil circulatoire est ouvert ou fermé, celles-ci sont présentes dans l’ensemble des espaces extracellulaires ou seulement dans le compartiment circulant, les parois capillaires leur étant relativement imperméables. Quelle que soit leur nature, ces protéines jouent, d’une part, un rôle de tampon d’acidité, d’autre part, concourent à la genèse d’une pression oncotique qui intervient, de concert avec la pression hémodynamique, dans la répartition de l’eau dans l’organisme. En dehors de ces fonctions non spécifiques, les protéines du milieu intérieur peuvent avoir différents rôles: transporteurs d’oxygène, de métabolites ou d’hormones, facteurs de coagulation, anticorps, enzymes, etc. ^{[cf. SANG]}. Dans certains cas, des quantités importantes de protéines peuvent être élaborées en vue de fonctions très spécifiques; le plasma des Téléostéens vivant dans les mers arctiques et antarctiques, par exemple, contient de fortes concentrations de glycoprotéines spécifiques jouant le rôle de substances antigel, empêchant la congélation du milieu intérieur.

4. L’équilibre acido-basique et le pH du milieu intérieur

Le milieu intérieur est le lieu de transit de nombreux déchets acides ou basiques du métabolisme cellulaire: dioxyde de carbone, acides minéraux et organiques. Les liquides extracellulaires de tous les animaux ont une réaction légèrement alcaline et leur acidification (ou leur alcalinisation) excessive est incompatible avec la vie. Une des régulations les plus classiques du milieu intérieur des Mammifères est celle d’une valeur constante et voisine de 7,4 pour le pH plasmatique. Cette donnée s’applique à tous les Vertébrés homéothermes, mais non aux animaux poïkilothermes dont la température corporelle suit, à peu de chose près, les variations de celle du milieu ambiant. Cela ne veut pas dire que l’équilibre acide-base du milieu intérieur n’est pas soumis à régulation chez ces animaux, mais la variable acide-base contrôlée n’est pas le pH. En fait, comme le montre la figure 2, lorsque la température corporelle augmente chez divers poïkilothermes, le pH extracellulaire diminue d’une quantité voisine de 0,016 unité pH par degré centésimal. Cette variation est parallèle à celle du pH de l’eau neutre, de sorte que c’est l’alcalinité relative , autrement dit la différence entre le pH extracellulaire et la valeur du pH neutre qui est maintenue constante dans toute l’échelle de température. Comme l’a montré Reeves, cela correspond aussi à une constance de l’état de dissociation des groupements acide-base des protéines (principalement l’imidazole de l’histidine) ainsi qu’à un maintien de la charge électrique et donc des caractéristiques structurales et fonctionnelles de ces macromolécules. Les mêmes caractéristiques semblent, dans un certain nombre de cas au moins, s’appliquer au liquide intracellulaire. Au concept d’homéostasie du pH du milieu intérieur doit donc être substitué celui d’une homéostasie fonctionnelle des protéines et, plus largement, des macromolécules biologiques.

La valeur du pH dépend en fait de la tension de C², P^CO2, et plus spécifiquement du rapport bicarbonate/C² dissous (cf. équilibre ACIDO-BASIQUE). Or la valeur de P^CO2 du sang, qui dépend de la production métabolique et des échanges respiratoires de C², est très différente chez les animaux à respiration aquatique et chez les animaux à respiration aérienne. Cela résulte du fait que, le C² étant bien plus soluble dans l’eau que ne l’est l’oxygène, les changements de pression partielle pour une variation donnée de concentration sont bien plus faibles pour le C² dans ce milieu, alors qu’ils sont équivalents pour les deux gaz dans l’air. De fait, les valeurs de P^CO2 du milieu intérieur sont très faibles, de l’ordre de quelques mmHg, chez les espèces aquatiques, et plus élevées, 15 à 60 mmHg chez les espèces aériennes. Puisque à une même température le pH est très semblable pour ces deux types d’organismes (fig. 2), il en résulte nécessairement que la concentration de bicarbonate est plus faible chez les animaux à respiration aquatique que chez les animaux à respiration aérienne (fig. 3). Lors du passage de la vie aquatique à la vie terrestre, les mécanismes de la régulation ionique, qui interviennent, entre autres, dans le contrôle de la concentration de bicarbonate, ont donc dû évoluer non seulement pour assurer le maintien de la composition ionique et osmotique du milieu intérieur, mais aussi pour se plier aux nécessités de la régulation acido-basique. Cette évolution est d’ailleurs observable actuellement au cours de la métamorphose des Amphibiens Anoures ainsi que lors de l’émersion temporaire de certains organismes vivant dans la zone des marées.

● Milieu intérieur expression créée par Claude Bernard pour désigner le milieu dans lequel baignent directement les cellules vivantes chez les animaux supérieurs, c'est-à-dire le sang et la lymphe. (Le milieu intérieur se caractérise par une remarquable fixité de ses caractères chimiques et physiques. On appelle fonctions de régulation les processus qui concourent à assurer cette fixité.)

Encyclopédie Universelle. 2012.