Modélisation des capacités de diffusion de l’oxygène dans les poumons et les muscles du niveau de la mer au mont Everest

Pourquoi respirer à des altitudes extrêmes compte

Imaginez sprinter en montant une pente raide pendant que l’air s’appauvrit à chaque pas. Les alpinistes, les athlètes d’endurance et même les personnes atteintes de maladies cardiaques ou pulmonaires affrontent tous une version de ce défi : dans quelle mesure leurs organismes peuvent-ils transférer l’oxygène de l’air vers les muscles actifs quand l’oxygène est rare ? Cette étude utilise un modèle mathématique, alimenté par un siècle de données d’expéditions en haute altitude, afin d’explorer l’efficacité avec laquelle nos poumons et nos muscles absorbent l’oxygène depuis le niveau de la mer jusqu’au sommet du mont Everest.

Suivre l’oxygène de l’air au muscle

Pour comprendre la performance en altitude, les scientifiques suivent une « cascade d’oxygène » — le parcours étape par étape de l’oxygène depuis l’air inhalé, à travers les poumons et le sang, jusqu’aux cellules musculaires où il alimente la production d’énergie. Deux étapes critiques mais difficiles à mesurer sont la facilité avec laquelle l’oxygène diffuse à travers la barrière air‑sang des poumons (capacité de diffusion pulmonaire) et depuis les tout petits vaisseaux sanguins vers les fibres musculaires (capacité de diffusion musculaire). Les mesures directes en haute altitude et pendant un effort maximal sont rares, si bien que les auteurs ont recours au modèle, en s’appuyant sur des équations physiologiques classiques qui équilibrent la quantité d’oxygène transportée par le sang et la rapidité avec laquelle elle peut traverser les tissus.

Construire une ascension virtuelle vers l’Everest

Les chercheurs ont rassemblé des données d’exercice à effort maximal provenant de nombreuses études réalisées à des altitudes allant du niveau de la mer jusqu’aux proches abords de l’Everest, y compris des expériences célèbres comme l’Operation Everest II. Ces jeux de données comprenaient la consommation d’oxygène, le débit cardiaque, les niveaux d’oxygène sanguin et la concentration en hémoglobine. Ils ont ensuite utilisé des ajustements statistiques pour prédire comment chacune de ces variables change tous les 250 mètres de gain d’altitude. Avec ces entrées, une méthode numérique itérative connue sous le nom de méthode de Fibonacci a résolu des équations de bilan de masse le long des capillaires pulmonaires et musculaires, estimant quelles doivent être les capacités de diffusion des poumons et des muscles pour correspondre à l’utilisation observée d’oxygène à chaque étape virtuelle d’altitude.

Comment poumons et muscles s’adaptent quand l’air s’amincit

Le modèle a révélé un schéma saisissant. Lorsque l’altitude augmente, la capacité pulmonaire de diffusion de l’oxygène ne décroît pas simplement. Au contraire, cette capacité augmente depuis le niveau de la mer jusqu’à environ 5 500 mètres — à peu près la plus haute altitude des établissements humains permanents — avant de diminuer à nouveau en direction du sommet de l’Everest. Même au sommet, toutefois, les poumons semblent toujours diffuser l’oxygène mieux qu’au niveau de la mer. En revanche, la capacité de diffusion musculaire atteint son maximum plus tôt, autour de 3 500 mètres, puis décline régulièrement. À l’altitude de l’Everest, la capacité de diffusion musculaire est prédite comme étant inférieure à celle du niveau de la mer. Ces courbes en « U inversé » suggèrent que poumons et muscles disposent d’une réserve de diffusion intégrée, mais que la réserve musculaire est épuisée à une altitude plus basse que la réserve pulmonaire.

Ce qui façonne ces réserves cachées

Pour déterminer quels facteurs importent le plus, l’équipe a testé la sensibilité des estimations de diffusion à de petits changements dans des entrées clés telles que le débit sanguin, la pression partielle d’oxygène dans les poumons et les artères, les niveaux d’oxygène veineux et l’hémoglobine. La capacité de diffusion pulmonaire était fortement influencée par la pression d’oxygène dans les alvéoles pulmonaires et dans le sang artériel, surtout en très haute altitude, ce qui renforce l’idée que l’échange gazeux pulmonaire devient de plus en plus critique à mesure que l’air s’appauvrit. La capacité de diffusion musculaire était davantage affectée par la pression d’oxygène dans le sang veineux et par la quantité d’oxygène restante pour pousser le transfert vers les mitochondries, les centrales énergétiques cellulaires. Le modèle a aussi montré que les hypothèses concernant la très faible pression d’oxygène à l’intérieur des mitochondries et l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène peuvent déplacer les valeurs absolues et l’altitude des pics, sans toutefois changer le schéma général.

Limites, applications et pertinence pratique

Étant donné qu’il s’agit d’une reconstruction théorique basée sur de nombreuses expéditions différentes et majoritairement sur des participants masculins, ses chiffres précis doivent être considérés comme des estimations plutôt que des mesures exactes. Le modèle simplifie aussi des détails locaux tels que la température, l’acidité et l’hétérogénéité du flux sanguin, qui peuvent tous affecter le transfert d’oxygène. Néanmoins, il offre une image unifiée de la façon dont la diffusion pulmonaire et musculaire pourrait évoluer du niveau de la mer à des altitudes extrêmes. Sur le plan clinique, des approches similaires — utilisant des tests d’effort de base, des prélèvements sanguins et des mesures cardiaques simples — pourraient aider les médecins à estimer si la limitation à l’exercice d’un patient provient davantage du pompage et du transport de l’oxygène ou de sa diffusion dans les tissus.

Ce que cela signifie en termes quotidiens

Pour un non‑spécialiste, la conclusion est que le corps répond d’abord à l’air raréfié en rendant poumons et muscles plus aptes à extraire l’oxygène du sang, mais que cette stratégie a des limites. Jusqu’à des altitudes modérées et élevées, poumons et muscles peuvent augmenter leur capacité de diffusion, créant une « réserve » utile. Au‑delà, surtout près de l’altitude de l’Everest, les muscles semblent atteindre un plafond : même si les poumons fonctionnent encore relativement bien, l’oxygène a du mal à effectuer le saut final vers les fibres actives. Ce déséquilibre aide à expliquer pourquoi l’altitude extrême est si épuisante et pourquoi la performance chute si fortement, et il suggère que protéger ou améliorer la diffusion d’oxygène musculaire pourrait être crucial pour les alpinistes, les athlètes et certains patients confrontés à des conditions de faible oxygène.

Citation: Bourdillon, N., Manferdelli, G., Raberin, A. et al. Modelling lung and muscle oxygen diffusion capacities from sea-level to Mount Everest. Sci Rep 16, 7817 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32441-9

Mots-clés: physiologie des hautes altitudes, transport de l’oxygène, diffusion pulmonaire, oxygénation musculaire, mont Everest