Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de jun/jui/aoû 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 3,9 Mo

  • Dans ce numéro : l'observatoire spatial Fermi.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Fournir de l’eau potable à tous et à moindre prix est un défi auquel fait face l’humanité. Les techniques actuelles pour dessaler l’eau de mer reposent sur le principe de la « passoire » pour séparer le sel et les déchets de l’eau, mais cette approche connaît plusieurs limites. Nous nous sommes alors inspirés du rein humain, qui filtre l’urée de l’eau d’une façon radicalement différente  : le secret réside dans sa géométrie en U qui sert d’échangeur salin. Après une preuve de concept, nous développons actuellement des systèmes inspirés du rein humain pour filtrer l’eau. Ce travail fait partie de la thèse de Sophie Marbach, soutenue le 15 juin 2018. Les termes suivis d’un astérisque sont définis dans le glossaire, p.24. 20 Reflets de la Physique n°58 S’inspirer du rein pour filtrer l’eau, ou comment réinventer la passoire Sophie Marbach (sophie.marbach@lps.ens.fr) Laboratoire de Physique Statistique, UMR8550 CNRS, École normale supérieure de Paris, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05 Depuis une dizaine d’années, la désalinisation et le recyclage de l’eau ont connu de fortes avancées technologiques, notamment grâce aux progrès des scientifiques dans le domaine des membranes avec de très petits trous. Ces membranes semiperméables «high tech», dont les trous sont de dimension nanométrique, permettent de séparer les déchets et le sel de l’eau pure de façon très efficace par la technique d’osmose inverse, où l’on applique une pression sur la solution saline. Mais cette petite taille des trous limite le flux de liquide et facilite les obstructions. Nos recherches ont un objectif simple  : trouver la meilleure « passoire » pour séparer le sel et les déchets de l’eau. Nous nous sommes alors intéressés à un autre système de filtrage  : le rein humain. Le fonctionnement du rein humain Pour trier l’eau de l’urée*, le rein humain utilise un principe de fonctionnement complètement différent. Il s’appuie notamment sur des millions de sous-structures en parallèle, des tubes qui sont plus fins qu’un centième de millimètre (en diamètre intérieur), en forme de U, et qui s’appellent boucles de Henle (fig. 1-c). Cette forme surprenante est présente chez tous les mammifères, mais pas chez tous les vertébrés. D’autre part, le rein est capable de filtrer à très basse pression, typiquement 40 fois plus faible que les pressions qu’on utilise pour dessaler l’eau de mer. Enfin, le rein consomme en moyenne 100 fois moins d’énergie que les appareils de dialyse, qui servent à nettoyer le sang des patients souffrant d’insuffisance rénale. Et chaque jour, 200 litres d’eau circulent dans ces tout petits canaux (l’eau du corps est donc recyclée plusieurs fois par jour) et, en tout, seuls deux litres en moyenne sont éliminés. (Eh oui ! d’où les « pour rester en bonne santé, buvez deux litres d’eau par jour. ») Comment le rein fonctionne-t-il ? Lorsque nous mangeons, nous assimilons entre autres des protéines, des acides aminés, du sel, de l’eau. Nous cassons les grosses molécules telles que les acides aminés (contenus dans les protéines) pour faire des sucres, que nous utilisons comme source d’énergie pour vivre. Cette « digestion » est accompagnée de la production d’urée, une substance nocive qui contient des atomes d’azote. L’urée est éliminée par les reins (fig. 1-a et b). Mais, dans tout cela, le sel et l’eau doivent être majoritairement recyclés car ils sont vitaux pour d’autres organes, comme le foie. Le rein accomplit le défi de concentrer l’urée très fortement afin de recycler le sel et l’eau. Plus précisément, du sang – donc des globules rouges et blancs, mais aussi diverses molécules – arrive aux reins, portant avec lui l’eau, le sel et l’urée. Regardons la figure 2a. En arrivant au glomérule (G), le mélange est trié  : seuls l’eau, le sel et l’urée peuvent entrer dans le grand tube représenté en couleur claire, qui s’appelle le néphron ; les globules rouges, les autres éléments cellulaires et les grosses molécules formant le sang sont majoritairement rejetés et demeurent dans les vaisseaux sanguins (en rouge et bleu sur la figure). La première partie du néphron c’est cette boucle en
o b a SecretDisc (English Wikipédia). 200 nm acides aminés digestion urée sel eau sucres 1. Principe de fonctionnement du rein. (a) Le processus de digestion s’accompagne de production d’urée qui doit être éliminée. (b) L’eau, le sel et l’urée sont transportés par le sang aux reins. Ceux-ci contiennent des millions de sous-structures parallèles, appelées « boucles de Henle ». (c) C’est dans les boucles de Henle (en couleur beige sur la figure) que les processus de recyclage du sel et de l’eau, et de concentration de l’urée, sont accomplis. Avancées de la recherche Vue par microscopie électronique à balayage de la paroi interne d’un vaisseau capillaire sanguin dans le glomérule du rein. On voit les pores de 50 à 100 nanomètres de diamètre, qui permettent le passage de l’eau, du sel et de l’urée, mais empêchent celui des éléments cellulaires du sang et des macromolécules. c forme de U, la boucle de Henle. Celle-ci est immergée dans un tissu très vascularisé, qu’on appelle l’interstice (I). Dans la branche qui descend, (D), le long de la paroi, il y a des trous extrêmement petits, appelés « aquaporines ». Ces trous, en forme de tunnel très étriqué, ne laissent passer que l’eau. Mais l’eau peut passer dans les deux sens de façon indifférenciée. Dans la branche ascendante (A), le long de la paroi, il y a des pompes à sel. Ces pompes transfèrent le sel de la boucle de Henle dans l’interstice – ce transfert est représenté par les flèches vertes sur la figure 2a. Pour ce faire, les pompes utilisent l’énergie de dissociation de l’ATP (adenosine triphosphate*), qui est la molécule qui transporte l’énergie dans notre corps. Une grande quantité de sel arrive ainsi dans l’interstice. Il se produit alors un phénomène appelé osmose* – représenté par les flèches bleues sur la figure 2 – où l’eau va passer du milieu le moins concentré en sel (la branche descendante, D) vers le milieu le plus concentré (l’interstice, I). Ainsi, beaucoup d’eau est extraite du mélange, le sel aussi (par les pompes), et il ne reste que l’urée très concentrée, qui est éliminée par le canal collecteur (CC). Le sel et l’eau sont réintégrés dans l’organisme grâce au réseau très dense de vaisseaux sanguins très fins qui parcourt l’interstice. Le principe de ces échanges est schématisé sur la figure 2b. Reflets de la Physique n°58 21



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