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C'est au siècle des Lumières, siècle foisonnant
de recherches dans de multiples domaines, que quelques savants se posèrent
la question de savoir ce qu'il advient des aliments à l'intérieur
de notre corps. L'idée la plus communément admise à
l'époque était que les aliments subissaient une trituration
mécanique et une putréfaction.
Les fondements théoriques essentiels de la chimie et de la biologie
n'ayant pas encore été posés, les premiers travaux
furent très empiriques. Pourtant, les moyens employés peuvent
être considérés aujourd’hui comme préfigurant
la méthode expérimentale qui fut théorisée
seulement un siècle plus tard par Claude Bernard
dans son « Introduction à l’étude de la médecine
expérimentale » (1865). Ils sont, à ce titre, exemplaires.
René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757), comme
de nombreux savants de son temps, était un "touche à tout".
Il s'occupa de physique et inventa notamment le thermomètre à
alcool. Il s’intéressa aussi à de nombreux domaines techniques
(métallurgie, techniques du verre, de la porcelaine etc.) mais il
reste surtout célèbre pour ses travaux en biologie, en particulier
pour son traité sur les insectes en 12 volumes. Appliquant la méthode
expérimentale avant la lettre, il habilla des grenouilles avec une
culotte servant de préservatif pour étudier le rôle
du sperme dans la fécondation. Il tenta également les premières
expériences de génétique. Cet homme à l'esprit
encyclopédique s'attaqua au problème de la digestion car
il ne croyait pas aux théories en cours à l'époque.
Il utilisa d'abord un rapace apprivoisé comme animal de laboratoire.
Les rapaces ont la particularité de rejeter sous forme de pelote
les parties de leurs proies qu'ils ne digèrent pas (plumes, poils,
os etc.). Mettant à profit cette caractéristique, il fit
avaler à son oiseau des tubes métalliques contenant de la
viande. Après rejet du tube, il constata que la viande avait en
partie disparu sans aucune putréfaction et à l'abri de tout
broyage mécanique dans son tube. Il eut alors l'idée de remplacer
la viande par une éponge afin de récupérer le liquide
contenu dans l'estomac (le suc gastrique) et vérifia que ce liquide
était capable de dissoudre la viande, quoique de façon assez
peu efficace. La digestion apparaissait donc comme un phénomène
chimique.
Lazzaro Spallanzani (1729-1799), abbé et professeur d'histoire
naturelle à l'université de Pavie, reprit les travaux de
Réaumur en améliorant les conditions expérimentales.
De façon à reproduire des conditions proches de celles régnant
à l'intérieur de l'organisme, il plaça sous ses aisselles
des tubes contenant un mélange de viande et de suc gastrique et
les y maintint pendant trois jours ! Il montrait ainsi que la digestion
s'effectue plus vite à la température du corps qu'à
température ambiante. Il refit la même expérience en
prélevant directement le suc gastrique après dissection de
l'estomac d'oiseaux. La digestion était donc réalisée
in vitro, sans aucune intervention mécanique de l'estomac.
Il en déduisit qu'il s'agissait bien d'un phénomène
chimique comme l’avait suggéré Réaumur. Enfin, voulant
démontrer que la digestion obéit aux mêmes règles
chez l'homme et chez l'animal, il entreprit d'expérimenter sur lui-même
: il commença par avaler de petits tubes de bois, percés
de trous et remplis de viande, qu’il récupérait ensuite dans
ses selles. Il en retrouvait le contenu digéré. Toutefois,
il ne parvint pas à se faire vomir pour récupérer
des tubes d'expérience et il dut concéder avec dépit
que son dégoût était plus fort que sa curiosité
scientifique…
En 1822, un accident fait progresser considérablement les connaissances
sur la digestion : Alexis Saint-Martin, un trappeur canadien, reçoit
un coup de fusil au ventre alors qu'il se trouve dans l'île Mackinac
sur le lac Huron. La blessure est si grave que l'estomac dépasse
de la plaie et laisse échapper de la nourriture par une perforation.
Le médecin se déclare alors impuissant à le sauver.
Mais, fait incroyable, Saint-Martin survit ! La plaie cicatrise par soudure
des bords du trou de l'estomac avec ceux du trou de la peau, formant une
fistule, c’est à dire un canal, faisant communiquer l’intérieur
de l’estomac avec l’extérieur du corps. Le contenu de l'estomac
pouvait ainsi être vu directement à travers la fistule.
William Beaumont, chirurgien militaire qui avait obtenu son poste,
bien qu'il n'eût jamais fait d'études de médecine,
simplement parce qu’il avait été apprenti chez un médecin,
recueillit Alexis et le fit travailler à son service. Au bout de
quelques années, il réalisa qu'Alexis était un formidable
sujet d'expériences : on pouvait observer directement ce qui se
passait dans l'estomac, recueillir du suc gastrique, y placer des aliments...
Beaumont entreprit alors une série d'expériences au grand
dam de son sujet. Ce dernier n'appréciait guère qu'on aille
fouiller dans son estomac et s'enfuit deux fois. Beaumont réussit
finalement à le retrouver et à le faire enrôler dans
l'armée pour l'avoir sous ses ordres. Il mena de très nombreuses
expériences aussi bien in vivo, dans l'estomac d'Alexis,
qu’in vitro avec le suc gastrique recueilli par la fistule.
Il étudia ainsi la durée de digestion de divers aliments,
montra la présence d'acide chlorhydrique dans l'estomac et confirma
que la dégradation des aliments dans l'estomac est un processus
chimique. Il fit connaître ses travaux à travers diverses
publications et écrivit un livre sur le suc gastrique. Il fut sans
doute le premier grand physiologiste américain.
C'est Claude Bernard (1813-1878), qui compléta ces travaux pionniers
en montrant que la digestion ne se limite pas à l'estomac mais continue
dans l'intestin. Considéré comme le père de la physiologie
expérimentale, il disait à ses étudiants : «
Pourquoi penser quand vous pouvez expérimenter ? Épuisez
donc l'expérimentation et pensez ensuite ! » Il fut lui-même
un très grand expérimentateur et découvrit que le
suc sécrété par le pancréas dans l'intestin
transforme l'amidon en glucose et détruit
les protéines.
La digestion est en effet principalement un processus chimique au cours
duquel les macromolécules de l'alimentation (amidon, protéines)
sont dégradées par des enzymes, ce qui libère leurs
éléments de construction, les nutriments, des molécules
beaucoup plus petites (glucose, acides aminés), seules capables
de traverser la membrane des cellules. Après
avoir traversé les cellules intestinales, les nutriments passent
dans le sang. C’est l’absorption intestinale. Le sang, en circulant, les
distribue à l'ensemble des cellules de l’organisme. Ces dernières
les utilisent à la fois comme source d'énergie
et comme matériaux de construction pour élaborer leurs propres
constituants macromoléculaires.
Mais quel est le déterminisme de la sécrétion
pancréatique ? Dès 1825, Leuret avait montré que l’application
d’eau vinaigrée sur la muqueuse du duodénum déclenche
la sécrétion pancréatique chez le chien. Claude Bernard
montra alors que cette sécrétion était déclenchée
in vivo par l’arrivée du contenu stomacal acide, le chyme,
dans cette partie de l’intestin qui fait suite à l’estomac et, en
1895, Dolinski montra que cet effet disparaît si l’on neutralise
l’acidité du chyme.
Mais comment le duodénum et le pancréas peuvent-ils communiquer
à distance ? En 1888, Ian Pavlov (1849-1936) montra que la stimulation
du nerf pneumogastrique déclenche la sécrétion d’un
suc pancréatique pauvre en eau mais riche en enzymes même
si le duodénum est vide. Toutefois, ce réflexe, dont l’étude
le conduira à découvrir les réflexes conditionnés,
ne suffisait pas à tout expliquer car une de ses élèves
démontra en 1900 qu’une sécrétion pancréatique
riche en eau et en hydrogénocarbonates se produit lorsque l’on injecte
une solution acide dans le duodénum d’un chien dont les pneumogastriques
et la moelle épinière ont été détruits
: il existe donc un autre mécanisme, non nerveux. La solution viendra
en 1902.
Cette année là, William Bayliss (1860-1924) et Ernest
Starling (1866-1927) isolent chez un chien une anse duodénale qu’ils
débarrassent de tous ses nerfs et fistulent le canal pancréatique.
L’introduction d’une solution acide dans le duodénum innervé
comme dans l’anse duodénale isolée du système nerveux
donne lieu à une sécrétion pancréatique chez
l’animal à jeun. Ils écrivent : « … puisque cette partie
du duodénum était privée de toutes connections nerveuses
avec le pancréas, on devait conclure que l’effet était produit
par quelques substances… entraînées par la circulation jusqu’aux
cellules pancréatiques … ». Ils broient alors la muqueuse
duodénale en présence d’acide et injectent l’extrait neutralisé
dans une veine. Il s’en suit un doublement de la vitesse de production
du suc pancréatique. Bayliss et Starling parlent de « réflexe
chimique » puisque de toute évidence une substance véhiculée
par le sang déclenche la sécrétion. Ils l’appellent
sécrétine. Trois ans plus tard, Starling propose le terme
général « hormone » (du grec, j’excite) pour
qualifier toute substance servant de messager chimique transporté
par le sang entre deux organes. Les années suivantes devaient magnifiquement
confirmer ces travaux fondamentaux et, non seulement, diverses hormones
agissant sur la régulation de la digestion comme la gastrine et
la cholécystokinine – pancréozymine furent identifiées,
mais aussi des hormones aussi importantes que l’insuline, permettant dès
lors de soigner certains diabètes. Paradoxalement, l’identification
dans le tractus digestif au cours des années 1970 de messagers chimiques
locaux, souvent identiques à des neurotransmetteurs ou à
des hormones connus ailleurs dans l’organisme, devait conduire à
relativiser la notion d’hormone.
EXPERIENCE
REALISER UN MODELE DE LA DIGESTION
Dans notre modèle, nous utiliserons une enzyme digestive facile à se procurer, l'amylase présente dans la salive, et une membrane biologique, la membrane coquillière de l'œuf, qui jouera le rôle de la membrane des cellules intestinales.
Préparer une solution d'amidon
Remplir un verre de table avec de l'eau (environ 100 cm3). En verser les 3/4 dans une petite casserole et porter à ébullition. Pendant ce temps, prendre un quart de cuillère à café de maïzena et la mélanger avec ce qui reste d'eau froide dans le verre à l'aide de la cuillère à café. Lorsque l'eau arrive à ébullition, arrêter le chauffage et verser le mélange maïzena-eau froide dans l'eau bouillante, cuillerée à café par cuillerée à café en mélangeant à chaque fois. Laisser refroidir.
Préparation de la membrane
Casser un oeuf en deux avec un couteau en donnant un coup sec de façon à obtenir deux moitiés proprement séparées. Tenir la moitié la moins pointue dans l'anneau formé par le pouce et l'index, surface de l'œuf vers le haut. Saisir la pince à épiler par la pointe et taper franchement sur le sommet de l'œuf avec l'autre extrémité de la pince pour y provoquer des cassures sans enfoncer de fragment de coquille dans la membrane sous jacente (le but étant d'obtenir une partie de l'œuf avec la membrane intacte mais sans coquille, c'est la partie délicate de l'opération). Enlever avec la pince à épiler un ou deux fragments de coquille pour mettre une partie de la membrane à nu sans la léser. Vérifier que la membrane n'est pas percée en mettant un peu d'eau au fond de la coquille. Aucune goutte ne doit couler. Placer la coquille sur un petit verre rempli d'eau, la membrane devant être au contact de l'eau.
Préparation de l'enzyme
Recueillir quelques mL de salive et laisser décanter. Récupérer la partie liquide sans mousse avec un compte-gouttes ou une seringue.
Mise en marche de l'expérience
Verser dans la coquille la salive et la remplir avec la solution d'amidon. Ajouter un cristal de gros sel et laisser la digestion s'effectuer pendant 2 à 3 heures. Pour vérifier que la digestion et l'absorption ont eu lieu, nous utiliserons des bandelettes de détection du glucose ("Clinistix", en pharmacie). En effet, la digestion de l'amidon par l'amylase de la salive va dégrader l'amidon en molécules plus petites et du glucose va être libéré à l'intérieur de la coquille. Les macromolécules d'amidon ne peuvent franchir la membrane car elles sont trop grosses. Au contraire, les petites molécules de glucose traversent la membrane et se retrouvent donc dans l'eau du verre. Après avoir trempé une bandelette de détection dans l'eau du verre, toute présence de glucose provoquera un changement de couleur de la zone réactive de la bandelette.
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