CLub de l'Histoire de l'Anesthésie et de la Réanimation

Lavoisier et Laplace : leurs héritages pour l’anesthésiologie

Cousin Marie Thérèse

Présentation rédigée par Cousin Marie Thérèse   mise en ligne : mercredi 22 juin 2016


Cette conférence a été faite lors de la 36e réunion scientifique du Char le 11 mars 2016 au Palais des congrès de Paris lors des JEPU 2016.

Marie -Thérèse Cousin nous expose ses recherches sur Lavoisier et Laplace et leur héritage pour l’anesthésiologie

Texte écrit de cette conférence

Lavoisier et Laplace : leurs héritages pour l’anesthésiologie.
Marie-Thérèse Cousin (Buc)

Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794)

Cet homme multifonction s’intéresse à la chimie au moment où cette science occupe de nombreux chercheurs. La chimie pneumatique, près de cent ans après la découverte par le Belge Jan Baptist van Helmont (1577-1644) du gaz sylvestre, notre gaz carbonique, se développe dans toute l’Europe : tandis que s’impose la théorie du phlogistique avec Georg Ernst Stahl (1659-1734) en Allemagne (1718), on doit à l’Écossais Joseph Black (1728-1799) l’étude du CO2 qu’il appelle air fixe parce qu’il se fixe sur l’eau de chaux, 1758 ; à l’Anglais Henry Cavendish (1731-1810) l’hydrogène qu’il appelle air inflammable, 1766 ; au Suédois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) la composition de l’air : air du feu ou air pur, l’oxygène, 1772, et l’air vicié : l’azote) ; enfin à l’Anglais Joseph Priestley (1733-1804), de 1770 à 1774, les airs, notamment le protoxyde d’azote et l’air déphlogistiqué que Lavoisier reconnaîtra être l’oxygène.

Depuis ses années d’études Lavoisier pratique la chimie, se livre à de nombreuses expériences, participe à des concours et publie. Après avoir soumis à l’Académie des sciences deux mémoires sur l’analyse chimique du gypse on l’inscrit sur la liste d’attente de la classe de chimie et au bout de deux ans , en 1768, il est élu. Il a 25 ans ! Comme tout nouvel élu on lui confie l’analyse de rapports et de mémoires en vue de publication. Dans ces comités de lecture avant la lettre, il sera bientôt associé à un jeune académicien entré, lui, à 24 ans, Pierre Simon de Laplace, aussi ardent et zélé que lui à accomplir ces tâches.

A partir de la décennie 1870 Lavoisier se met à la chimie pneumatique où la France a pris du retard. Il reprend l’étude de tout ce qui a été fait et se propose de parvenir à une théorie d’ensemble. Celle-ci aboutira à l’abandon du phlogistique au bénéfice de l’oxygène.

Il étudie alors les différents airs et y examine le comportement des animaux qui lui servent alors simplement de réactifs1. Puis il cherche à déterminer la nature de ces airs et comment ils agissent sur l’organisme animal. Trois mémoires vont en faire la synthèse : Mémoire sur la respiration des animaux, 1777, (complété plus tard par un second mémoire réalisé avec Seguin) ; Mémoire sur la chaleur, réalisé avec de Laplace, 1780 ; Premier mémoire sur la transpiration des animaux, avec Seguin, 1790. On peut considérer ces mémoires comme les textes fondateurs de la physiologie moderne expérimentale.

Dans le premier mémoire sur la respiration2, il décrit pas à pas ses expériences et amène le lecteur à chaque étape de son travail à se poser les questions qu’il se posait lui-même :

1°) En calcinant du mercure il constate que “cette substance métallique absorbe la partie salubre de l’air, l’air éminemment respirable pour ne laisser que la mofette (qu’il dénommera plus tard azote) ; en rapprochant ces deux parties de l’air ainsi séparé, la partie respirable et la partie méphitique, on refait l’air semblable à celui de l’atmosphère.” Déjà l’analyse suivie de la synthèse, synthèse qui conforte l’analyse.

2°) Un moineau placé sous une cloche de verre dans cette mofette n’y survit que 55 minutes et meurt dans un tableau convulsif. La quantité d’air a diminué de 1/60ème dans la cloche ; un nouvel oiseau n’y a vécu que quelques instants. L’air de cette cloche est différent de celui qui restait après la calcination du mercure, il précipite l’eau de chaux. Cette différence entre les deux airs “m’a fait présumer qu’il se compliquait dans la respiration deux causes, dont probablement je ne connaissais encore qu’une seule, et pour éclaircir mes soupçons...”

3°) Il place alors dans l’air vicié par la respiration une petite couche d’alcali. Cet air vicié agit comme celui qui se dégage quand on brûle du charbon. Cet air se fixe sur l’alcali (d’où son nom d’air fixe, notre futur CO2). L’air de la cloche, ainsi débarrassé de son gaz carbonique, ressemble au gaz résiduel après la calcination du mercure “ou plutôt il n’était plus qu’une seule et même chose“, c’est à dire, un air dépourvu de l’air éminemment respirable, l’oxygène.

Sur deux hypothèses qui se présentent alors à son esprit l’expérience porte à croire que :

1°) l’oxygène se combine dans le poumon avec le sang, ce qui lui confère une couleur rouge, tout comme le mercure calciné forme un ’précipité rouge de mercure’.

2°) le poumon restitue à la place une portion de CO2 presque égale en volume, et ...

3°) on peut regarder comme prouvé qu’après l’épuisement de l’oxygène le surplus est un milieu purement passif. (C’est bien sûr l’azote).
Enfin “si l’on augmente ou diminue (…) la quantité d’air éminemment respirable, on augmente ou diminue dans les mêmes proportions (…) le temps que les animaux peuvent y vivre.”

Mais déjà il se pose la question que seul Claude Bernard va relever : “on peut conclure qu’il arrive de deux choses l’une par l’effet de la respiration : ou la portion d’air éminemment respirable (traduire l’oxygène) contenue dans l’air de l’atmosphère est convertie en acide crayeux aériforme (traduire en CO3H2) en passant dans le poumon : ou bien il se fait un échange dans ce viscère”. Il conclut en disant que « ces effets ont lieu pendant l’acte de la respiration » , sans plus préciser l’organe ni les organes où se produit le phénomène.

Avec Armand-Jean-François Seguin (1767-1835), en 1789, il établit la consommation d’oxygène dans des conditions de repos et d’équilibre thermique, notre métabolisme de base. Il ira plus loin et prouvera que la consommation d’oxygène est augmentée par le froid, la digestion et surtout l’exercice physique passant de 1200 à 3200 pouces cubiques par heure.(Son cobaye humain est Seguin lui-même). Il note en passant que les fréquences cardiaque et respiratoire augmentent également avec l’effort3.

Le second mémoire porte sur la chaleur4. Cette fois il a sollicité la collaboration de Pierre Simon de Laplace (1749-1827) dont il a pu apprécier les talents d’expérimentateur et de mathématicien dans les différentes commissions de l’Académie. Pourtant les deux hommes n’ont pas la même conception de la chaleur. Là où Lavoisier voit un fluide, le calorique, semblable en sa nature à la lumière où l’électricité, qui se répand dans un corps et parfois se combine avec lui, pour Laplace la chaleur est le résultat des mouvements insensibles des molécules. “Elle est la somme des produits de la masse de chaque molécule par le carré de la vitesse”. Quand un corps froid est mis en contact avec un corps chaud les forces vives des mouvements des molécules s’égalisent et la température des corps tend à l’uniformité.

Quelle que soit l’hypothèse, selon le principe de la conservation des forces vives, la quantité de chaleur libre reste toujours la même. « Toutes les variations de chaleur, soit réelles ou apparentes, qu’éprouve un système de corps en changeant d’état, se reproduisent dans un ordre inverse lorsque le système repasse dans son premier état ».

Il faut pour mesurer cette chaleur construire des instruments, mesurer des volumes et des poids de gaz et de liquides recueillis dans un temps donné. C’est là qu’intervient Laplace, habile à concevoir la machine, un calorimètre, et à calculer les bilans. Cet appareil repose sur un principe de thermodynamique exprimé avant l’heure : un corps quelconque en se refroidissant émet de la chaleur qu’on peut mesurer par la quantité de glace qu’il fait fondre. De même la chaleur animale se mesure par la quantité de glace que l’animal fait fondre dans l’intérieur de la machine.

L’objet est placé dans une enceinte protégée de la chaleur atmosphérique par une couche de glace extérieure. La glace intérieure fondra en eau au contact du corps chaud, le poids de l’eau recueillie sera exactement proportionnel à la chaleur que le corps aura perdue. La légende de la figure précise que l’on a choisi un cochon d’Inde dont la température interne est proche de celle de l’être humain. “Pour qu’il ne souffrît pas nous l’avions placé dans un petit panier garni de coton”. Un cochon d’Inde produit sept onces d’eau en cinq heures.

Si l’objet de la recherche est la combustion d’un corps ou la respiration d’un animal il faudra introduire un nouvel air et pour éviter les erreurs il faudra que l’enceinte soit proche de l’air qu’on introduit, et le plus possible proche de zéro. C’est pourquoi l’expérience doit se faire en hiver.

Quel est le rôle de l’air atmosphérique ? Jusqu’à la fin du XVIIe siècle on pensait que l’air atmosphérique servait à rafraîchir le sang traversant le poumon. Depuis Priestley on sait que c’est l’air déphlogistiqué, l’air vital, celui que Lavoisier va nommer oxygène, qui est propre à la respiration. Cette portion d’air est absorbée et se transforme en air fixe (entendez CO2) par addition de la base de l’air fixe (entendez le carbone) dont on mesure le poids après l’avoir fixé sur un alcali. (Dans nos respirateurs à circuit fermé on fixe le CO2 sur la chaux sodée). La chaleur dégagée par la combustion du charbon peut également se mesurer par la quantité de CO2 formé. De même, la production de CO2 par un animal au cours de la respiration, dans un temps donné, correspond à la chaleur produite par l’addition de carbone à l’oxygène.

On sait que l’air fixe est plus lourd que l’air. Dans le fond de son panier le cobaye respire avec difficulté à la fin de l’expérience. Il faut donc éliminer ce gaz en le fixant sur un alcali. La pesée de l’alcali avant et en fin d’expérience permet alors de mesurer la production de CO2 par unité de temps.

De même pour la justesse de la mesure il faut éliminer la vapeur d’eau produite par les poumons. (À ce moment on ne mesure pas encore la chaleur perdue par évaporation, ce sera l’objet du troisième mémoire, mais on va voir plus loin que cette notion sera introduite en 1789). On recueille donc la vapeur d’eau au moyen d’un tube recourbé où la vapeur se condense dans la partie concave.

La température de l’animal étant à peu près la même à la sortie qu’à l’entrée du calorimètre nos savans en déduisent que les fonctions vitales restituent sans cesse la chaleur perdue et c’est précisément la chaleur qui est provoquée par la production de CO2. Et voici comment ils expriment cette idée absolument neuve que la physiologie mettra un siècle à expliciter, à digérer :

“ La respiration est donc une combustion, à la vérité fort lente, mais d’ailleurs parfaitement semblable à celle du charbon (…). Elle se fait à l’intérieur du poumon (…). La chaleur développée dans cette combustion se communique au sang (…) et de là se répand dans tout le système animal.

Ainsi l’air que nous respirons sert à deux objets (…) : il enlève au sang la base d’air fixe et la chaleur que cette combinaison dépose dans les poumons, et répare la perte continuelle de chaleur que nous éprouvons de la part de l’atmosphère et des corps environnants. (…)

La conservation de la chaleur animale est due, au moins en grande partie, à la chaleur que produit la combinaison de l’air pur respiré par les animaux avec la base de l’air fixe que le sang lui fournit”

Remarquons cette expression :”que le sang lui fournit” . D’où vient donc ce carbone ? Quelques lignes plus haut il a écrit : “le sang vient à reprendre la base de l’air fixe -(traduisons : le sang se charge en carbone qui est ce qu’il appelle la base du gaz carbonique)- (…) cette combinaison se fait dans toutes les parties du corps”.

Pour conclure il affirme que la combinaison avec l’oxygène se fait dans le poumon. Bien des physiologistes ne retiendront que cette assertion évidemment fausse. Pourtant dans le mémoire sur la respiration des animaux de 1789, réalisé avec Seguin voici ce que Lavoisier déclare : “Nous ne nous dissimulerons pas une objection qu’on peut faire (…) Aucune expérience ne prononce d’une façon décisive que le gaz acide carbonique qui se dégage pendant l’expiration soit formé immédiatement dans le poumon ou dans le cours de la circulation par la combinaison de l’oxygène de l’air avec le carbone du sang. Il serait possible qu’une partie de l’acide carbonique se formât par la digestion, qu’il fût introduit dans la circulation avec le chyle, enfin, que parvenu dans le poumon, il fût dégagé du sang à mesure que l’oxygène se combine avec lui par une affinité supérieure.”

Reprenant alors la notion de combustion, la complétant par ce que lui suggèrent ses réflexions sur la digestion et pour traduire “des idées simples que chacun puisse facilement saisir” il s’exprime par l’image : “La respiration n’est qu’une combustion lente de carbone et d’hydrogène qui est semblable en tout à celle qui s’opère dans une lampe (…). Si les animaux ne réparaient pas habituellement par les aliments ce qu’ils perdent par la respiration, l’huile manquerait bientôt à la lampe et l’animal périrait comme une lampe s’éteint quand elle manque de nourriture.”

Et dans ce même texte de 1789, il corrige celui de 1780. Il ne fallait pas éliminer la vapeur d’eau, il faut la mesurer et calculer la perte de chaleur que sa production entraîne. “Il se dégageait une quantité de calorique plus grande que celle qui devrait résulter de la quantité de gaz acide carbonique. “Très probablement la respiration (…) occasionne encore la combustion de l’hydrogène contenu dans le sang et conséquemment (…) une formation d’eau”. - Rappelons que la composition de l’eau résultant de la combinaison d’hydrogène et d’oxygène n’est formellement établie et admise qu’en 1783.-

Enfin dans un troisième mémoire sur la transpiration des animaux5 il étudie avec un jeune collaborateur, Armand Seguin, la question de la provenance de l’eau éliminée par la peau et par le poumon. Il aborde ainsi la régulation thermique puisque la perte d’eau entraîne une perte de chaleur. Finalement “la machine animale est principalement gouvernée par trois régulateurs principaux, la respiration, (…) la transpiration qui augmente ou diminue suivant qu’il est nécessaire d’importer plus ou moins de calorique (de la chaleur) enfin la digestion qui rend au sang ce qu’il perd par la respiration et la transpiration. Mais il est des bornes au delà desquelles les compensations ne peuvent plus avoir lieu et c’est alors que commence l’état de maladie.”

Dans ses derniers écrits de 1792 retrouvés à l’Académie des sciences et cités par Dejours6 ses préoccupations portent maintenant sur ces régulations. C’est à l’occasion d’un nouveau concours qu’il propose aux concurrents un programme de travail qu’on peut considérer comme les bases de la physiologie et de la biologie expérimentales et son legs aux futurs physiologistes et biologistes. En physiologie le “rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme” devient : “ puisque la putréfaction et la combustion sont les moyens que la nature emploie pour rendre au règne minéral les matériaux qu’elle en a tiré pour former des végétaux et des animaux, la végétation et l’animalisation doivent être des opérations inverses de la combustion et de la putréfaction. (…)

C’est de la réunion des efforts de la physique, de l’anatomie et de la chimie qu’on peut se promettre maintenant la solution de ces grandes questions.”
Le prix devait être attribué en 1794. En 1794 l’Académie des sciences avait été supprimée, et Lavoisier était guillotiné.

Pierre Simon de Laplace (1749-1827)

Ce Normand destiné à l’origine à entrer dans les ordres, et devenu mathématicien, astronome, physicien, Simon Laplace entre à l’Académie des sciences, classe de mathématiques et physique en 1773, à l’âge de 24 ans. C’est là comme nous l’avons vu plus haut qu’il rencontre Lavoisier son aîné et travaille avec lui en qualité de commissaire pour rédiger des rapports sur diverses inventions soumises à l’Académie. Lavoisier apprécie son sérieux, son talent d’expérimentateur concevant les instruments nécessaires aux démonstrations et la qualité de son jugement. Il l’embauche donc dans son étude sur la chaleur. Par la suite Laplace assistera Lavoisier dans les expériences sur l’analyse et la synthèse de l’eau7. Dès lors il s’intéresse, après le calorique, aux autres fluides impondérables, l’électricité (qui a permis la synthèse de l’eau), la lumière, le magnétisme. S’il ne travaille plus sur des sujets de physiologie expérimentale, il professe néanmoins un grand respect pour cette discipline et aurait déclaré que la physiologie et l’astronomie sont les premières parmi les sciences8, celle qui doit occuper les intelligences supérieures. C’est à Laplace que l’Académie doit d’avoir fait attribuer à la physiologie expérimentale le premier prix Montyon.

Encore trop peu célèbre pour être inquiété lors de la Révolution, Laplace traverse ces années noires sans trop d’alarmes. Après l’arrestation de Lavoisier et jusqu’à 1795 il ne publie plus de travaux mais c’est pendant cette période qu’il rédige son grand ouvrage de vulgarisation de l’astronomie où ce mathématicien s’est abstenu de toute formule mathématique, L’exposition du système du monde paru en 17969. À cette date, il est alors nommé par la Convention dans des structures officielles et, contribue avec d’autres ex-académiciens, à la renaissance de la Science. Progressivement il prendra une place de plus en plus importante dans la société et aura des fonctions officielles sous les différents régimes, consulat, empire, restauration.

Laplace est un déterministe résolu et en même temps l’inventeur de la science mathématique des probabilités. Est-ce contradictoire ? Les lois empiriques fondées sur l’observation constituent le système du monde, où les causes déterminent les conséquences ; ce sont ces lois déductives qu’utilise l’astronomie mais qui peuvent s’appliquer également aux sciences de la vie. Ainsi la gravitation universelle (ie le rapport de la masse et de la distance) peut être appliquée aux molécules dont les mouvements produisent la chaleur. La tâche du scientifique est de découvrir les lois de la nature, des astres jusqu’au cœur du monde vivant, et en déduire la probabilité. À la certitude déductive, Laplace ajoute le degré de certitude.
C’est lui qui affirmera cette conception lavoisienne que les organismes vivants sont soumis aux lois de la physique et de la chimie et que tout comme dans ces deux disciplines la physiologie a le devoir de devenir une science exacte et d’être elle aussi expérimentale. Dans le domaine du vivant de nombreuses mesures sont nécessaires pour établir un fait ; l’étude statistique aidera alors à préciser les données.

Jusqu’à la fin de sa vie Laplace demeure très assidu aux séances de l’Académie des sciences ressuscitée. Il y a des responsabilités de premier plan ; il y prend souvent la parole et est respectueusement suivi. Un jeune auditeur, l’écoute : Magendie. Plus tard cet auditeur devient son médecin personnel. Une réelle et longue amitié lie le médecin et son patient et Magendie accompagnera Laplace jusqu’à ses derniers instants.

Références :
1. Poirier JP. Lavoisier, Paris Pygmalion, 1993, pp. 112-3.
2. Lavoisier AL. Expériences sur la respiration des animaux et dans les changements qui arrivent à l’air en passant par leurs poumons. Mémoire de l’Académie royale des sciences , 1777, pp. 185-94.
3. Seguin AJF. Lavoisier AL. Premier mémoire sur la respiration des animaux. Mémoires de l’Académie royale des sciences, 1789, pp. 566-84.
4. Lavoisier AL, de Laplace PS. Mémoire sur la chaleur. Mémoires de l’Académie royale des sciences, 1780, pp. 355- 408.
5. Seguin AJF , Lavoisier Al. Premier mémoire sur la transpiration des animaux. Mémoires de l’Académie royale des sciences. 1790, pp. 601-612.
6. Dejours P. Lavoisier, Physiologiste. In Acta du Colloque organisé à l’occasion du bicentenaire de la mort d’Antoine Laurent Lavoisier le 8 mai 1994. Archives de l’Académie des Sciences, TEC-DOC Lavoisier Ed, Paris.1995.
7. Hahn R. : Pierre Simon Laplace, un itinéraire dans la science, Paris, Gallimard, 2004.
8. Olmsted JMD. François Magendie, pioner in experimental physiology and scientific medicine in XIX century France. Schuman’s New York, 1944. pp. 19-20.
9. Laplace PS. Exposition du système du monde, Paris, Imprimerie du Cercle social, 1796