Adaptations de l’homme aux conditions de vie extrême sur terre Charles-Yannick Guezennec Centre National des Sports de la Défense Centre National du Rugby

Les constats L’homme moderne s’adapte à des conditions environnementales très variées Il peut monter à 8800m m sans oxygène Il plonge en apnée à 123 mètres Il peut traverser l’arctique en marchant Il traverse des déserts en courant Il peut courir 100 Kms en 6h10min

Ces constats posent trois questions 1-S’agit il de réelles adaptations et quels sont les mécanismes ? 2-Quel est le rôle des processus évolutifs de l’homme sur ces adaptations ? 3-Quel est l’impact de ces adaptations sur la santé de l’homme moderne ?

L’évolution anatomique et biomécanique des hominidés nous montre que l’homme moderne (H.sapiens) est devenu progressivement un remarquable coureur d’endurance L’acquisition de la bipédie a été un avantage décisif pour la recherche de nourriture La vitesse de course de l’homme sur de très longues distances est supérieur à celle de la plupart des quadrupèdes herbivores et se rapproche des canidés Au-delà de 100Kms l’homme rattrape le cheval L’aptitude à la course d’endurance a été un avantage évolutif (Bramble et al endurance running and the evolution of homo Nature 432: 345 2004)

Les adaptations métaboliques au jeûne et aux efforts prolongés se renforcent réciproquement Carrier DR. Curr Anthropol 1984 Cordain et al Int J Sports Med 1998 Selon ces auteurs l’adaptation à la course d’endurance débute avec H. Habilis ( 2MA) et atteint sa pleine efficacité avec H. Sapiens (0.2MA) Chasseur-cueilleur Le rythme paléolithique de 3 à 4 jours de chasse puis 1 ou 2 jours de repos. Les femmes portent leurs enfants sur 1500 Kms pendant les 2 premières années Alternance jeûne/nutrition Chasseur de savane (climat chaud) Ils courent, ils portent, ils se nourrissent irrégulièrement

Comparaison de l’aptitude physique de l’homme et de différentes espèces Il n’a pas la plus forte capacité aérobie (K. Schmitt-Nielsen Animal Physiology) Il n’est pas le plus rapide (Ingen Schenau et al. Sports Med 1994 Il est pourtant très endurant sur de longues distance en climat chaud

Cette aptitude résulte d’une remarquable régulation thermique L’homme possède une thermorégulation particulièrement efficace grâce à la sudation 1 litre de sueur évacue 58O Kcal ce qui permet de maintenir l’équilibre thermique d’une course à 15 Km/h en climat tempéré pendant plus de 8 heures Un inconvénient ce processus reste efficace tant que les pertes hydriques sont en partie compensées En climat chaud l’homme possède un avantage considérable comparé à de nombreux autres mammifères

Les systèmes d’épargne de l’eau lors de l’exercice physique Dès le début de l’exercice physique l’homme mets en jeu un ensemble de systèmes d’épargne des pertes rénales Stimulation de la libération d’hormone antidiurétiques Activation du système Rénine-Angiotensine-Aldostérone

L’aptitude à réaliser des efforts en climat chaud est une véritable adaptation la répétition d’exercices en ambiance chaude produit une adaptation progressive permettant de supporter le stress thermique. Le débit sudoral augmente et le délai de sudation, c’est-à-dire le temps nécessaire au déclenchement de la sudation en début d’exercice, diminue. le flux sanguin cutané est réduit la perfusion musculaire s’en trouve améliorée. la sueur est moins concentrée chez les sujets entraînés ce qui permet de conserver plus efficacement les minéraux. augmentation du volume sanguin total après une période d’entraînement en ambiance chaude. Chez l’athlète une heure (ou plus) d’entraînement chaque jour pendant 5 à 10 jours suffisent pour développer les adaptations cardiovasculaires et sudorales D’après Gleeson et al. Insider 1996

Mouvements de l’Eau, gènes environnement et performance Cette histoire débute en 1998 par une publication de Montgomery dans Nature qui tends à démontrer que le polymorphisme du gènes codant pour l’enzyme de conversion de l’angiotensine (ACE) détermine l’aptitude à l’endurance et à effectuer des efforts en altitude extrême. (Un gène est qualifié de polymorphe lorsque plusieurs allèles sont présents dans une population dans une proportion supérieure à 1%. ) Le rôle principal de l’ACE est de convertir l’angiotensine I en angiotensine II un puissant agent vasoconstricteur. Le gène codant pour l’ACE possède deux allèles I et D, l’augmentation de l’activité ACE est influencée par D II seraient plus endurants et plus aptes aux efforts en altitude, DD plus aptes à développer de la force Le gène ACE est aussi exprimé dans de nombreux tissus comme le muscle squelettique et le myocarde ou il joue un rôle de facteur de croissance: ce point particulier soutenait son action potentielle sur la performance.

Qu’en est il aujourd’hui Carte des gênes humains impliqués dans les phénotypes de l’aptitude physique (Rankinen et al., 2001) Le souhait d’avoir un facteur génétique de l’aptitude physique et de la réponse à l’entraînement a suscité de nombreux travaux pour définir le rôle du polymorphisme de l’ACE sur la réponse à l’entraînement. Les résultats mettent en évidence le même nombre d’études en faveur ou défaveur de cette hypothèse (Rankinen et al MSSE 2005) Une des raisons serait le nombre importants d’autres gènes candidats (Rankinen et al MSSE 2001) Il semble heureux sur le plan de l’éthique que le lien entre un seul gène et performance ne soit pas établi, cependant on reste intrigué par la possibilité d’une association entre le déterminisme des mouvements de l’eau et la capacité d’endurance. 109 gênes sur les autosomes 2 gênes sur le chromosome X

Fréquence cardiaque Température rectale Le polymorphisme de l’ACE semble un candidat de l’adaptation aux efforts prolongés en climat chaud (2h de marche rapide à 40°C) Heled et al Human ACE/ID polymorphism is associated with individual différences in exercise heat tolerance J. Appl. Physiol 2004 Fréquence cardiaque Température rectale Quelle que soit la part spécifique de la variabilité des gènes impliqués dans la performance Il semble certain que l’aptitude aux efforts prolongés en climat chaud soit un vrai phénomène adaptatif

Les réactions physiologiques au froid L’homme dispose de deux moyens physiologiques pour réagir au froid Augmenter sa production de chaleur: le frisson thermique, le travail musculaire volontaire Réduire ses pertes de chaleur en diminuant le débit sanguin périphérique

L’adaptation au froid Revue de question: Launay et Savourey Industrial Health 2009 Hypermétabolique: augmentation de la production de chaleur et de la T° cutanée (Alacaluf ,Esquimaux ) Elle nécessite une adaptation culturelle du vêtement et de la nourriture (nature/nurture) Hypothermique: Diminution de la T° centrale (Bushmen, Jean Louis Etienne ) Isolative: Réduction de la T° cutanée sans diminution de T° centrale (Aborigènes du nord de l’Australie) Hypothermique et isolative: Baisse de la T° centrale et de la T° cutanée (Plongeuses Nord Coréenne Ama )

Ces adaptations ont des limites le climat froid ne favorise pas l’homme L’expansion de l’homme et le froid Les limites de l’augmentation du métabolisme Selon Gamble et al 2004Climate change and evolving human diversity in Europe during the last glacial Les glaciations ont provoqués des contractions de la population humaine Emmanuel Le Roy Ladurie Peut on écrire l’Histoire du Climat 2005 « l’hiver de 1709. C’est l’hiver le plus froid qu’on ait connu en Europe depuis 1500, depuis cinq siècles, humainement un peu moins rude que 1693 (600 000 morts seulement, dans la foulée, en 1709-1710) » Ce schéma emprunté à Knut Schmidt Nielsen montre que l’homme doit doubler son métabolisme entre 20°C et 10°C, le renard arctique le fera au-delà de -40°C

L’homme n’est pas un dauphin La plongée en apnée Revue de question : Paolo Ceretelli Traité de physiologie de l’exercice et du sport Masson 2002 Lors de la plongée en apnée l’homme -Mets en jeu des réflexes primitifs: ralentissement de la fréquence cardiaque, vasoconstriction périphérique -On observe des troubles du rythme cardiaque (à l’origine d’accidents). -Chez le plongeur entraîné on observe pauses cardiaques qui peuvent atteindre 45 sec et une diminution de la réponse ventilatoire au Co2. -Malgré tout l’homme n’est plus un mammifère marin: Réserves en O2 musculaire Homme:8 ml O2/Kg Dauphin:44 ml O2/Kg Diving beyond the limits Butler PJ. News Physiol Sci. 16:222-7 2001 L’homme n’est pas un dauphin

Conséquences de ces adaptations ancestrales sur la santé de l’homme moderne Le gène d’épargne selon: Chakravarthy et Booth J Appl Physiol 96:3 2004 A la fin du paléolithique la survie de l’espèce humaine a été favorisé par l’aptitude a résister au cycle famine/festin, ce qui soutien la notion du gène d’épargne, qui en réalité est un ensemble de gènes. Cet ensemble de gènes régule la balance entre le stockage et l’utilisation des lipides et des glucides. Il favorise le stockage lorsque l’activité physique diminue Un axe hormonal est particulièrement impliqué: le système de réponse et de sensibilité à l’insuline L’épaisseur cortical du fémur un index de l’évolution de l’activité physique (Ruff CB J. Hum Evolut1991)

Alternative à l’épargne La réduction des apports caloriques ne compense pas totalement les effets de la mise en réserve: avant l’ère industrielle les travailleurs de force avaient un apport de 4 à 8000 Kcal/J aujourdhui les populations sédentaires ont un apport moyen de 2000Kcal/J. Cette réduction importante des apports caloriques moyens n’empêche pas la progression des pathologies de surcharge (Koffler and Kisch J. Diabetes Complications 10:109 1996) Une seule alternative : l’exercice physique. Si l’on tient compte de l’activité de nos ancêtres, le niveau d’activité doit être élevé. Cependant tous ne répondent pas de façon identique. (Etude HERITAGE Bouchard et al J. Appl. Physiol 1999 481 sujets 20 sem d’entraînement)

Evolution des sociétés traditionnelles Les inuits En 1994 Rode et Shepard ont montré que les inuits évoluent très rapidement vers toutes les conséquences néfastes d’un mode de vie sédentaires Les pimas Diabetes Care. 1994 Sep;17(9):1067-74. Effects of a traditional lifestyle on obesity in Pima Indians. Ravussin E et al. Les indiens Pimas de l’Arizona présentent une très forte prévalence de l’obésité et du diabète de type II alors que leur voisins Pimas du Mexique restent en partie protégés

Quel liens entre les mouvements de l’eau de l’organisme et les pathologies de la sédentarité Polymorphisme de l’ACE et sensibilité à l’insuline: Le polymorphisme de l’ACE semble influencer l’augmentation de la sensibilité à l’insuline induite par l’entraînement (Dengel et al Physiol Genomics 2002) Il est intéressant de constater que la variabilité d’un acteur des mouvements de l’eau est aussi associé au processus de régulation des stocks énergétique Quels liens avec les processus évolutifs ?

L’espace l’homme s’adapte t’il L’homme ne s’adapte pas aux vols spatiaux La dégradation lente de certaines fonctions semble encore irrémédiable aujourd’hui Os, muscle, rayonnement cosmique Il pourra il faire de longues incursions au prix de bonds technloogiques

Les pilotes de chasse Ils mettent en jeu des adaptations ancestrales pour supporter les contraintes cardio vasculaire Le plus étonnant sont les capacités d’adaptation neuro sensorielles dans l’anticipation des trajectoires

The heart rate (HR) is directly submitted to the direction of G vector The alternance of +Gz/-Gz result in successive HR increase and decrease as objectived by roll in turn manoeuver. This effect is called push-pull One could observe a rhytmic muscle contraction

Cardio-vascular response to a tilt test after an aerobatic flight

The recovery period was studied by using a tilt test in order to evaluate the sympathetic system activity

Conclusions L’adaptation aux efforts prolongés en climat chaud a probablement influencé le succès de l’homme en tant qu’espèce Malgré des adaptations physiologiques et culturelles au froid, la bande intertropicale reste le biotope privilégié de l’homme L’engouement récent pour l’incursion subaquatique en apnée ne doit pas cacher le fait que le retour en arrière sera difficile L’intérêt pour les adaptations de l’homme aux environnements extrêmes soutient les recommandations de santé concernant l’activité physique et la tolérance aux contraintes climatiques