Circulation sanguine

L’épisode 1, Au cœur du sujet, s’appuie sur l’histoire du concept de circulation sanguine et sur l’existence d’un obstacle analogue chez les savants et les élèves, l’obstacle irrigateur. Les ressources visent donc à expliciter les principales difficultés posées aux élèves lors de l’apprentissage de ce concept ainsi que les principaux éléments historiques pouvant participer à les travailler.

Les conceptions initiales des élèves correspondent aux connaissances, aux représentations que mobilisent un élève face à un sujet que celui-ci est fait ou non l’objet d’un enseignement. Ces conceptions sont liées au fait que chacun se forge une représentation du monde qui l’entoure à partir de son expérience personnelle, de sa culture, de sa scolarité. Ces conceptions ne sont pas là ex nihilo mais sont la réponse à un problème, une question posée. Ces conceptions sont intéressantes à relever en classe car elles sont souvent erronées et peuvent révéler la présence d’obstacles qui peuvent empêcher les apprentissages s’ils ne sont pas pris en compte. Sur la thématique de la circulation sanguine, un des principaux obstacles est celui de l’irrigation qui conduit les élèves à ne pas envisager de retour du sang au cœur. Il n’est pas toujours facile à repérer car les élèves emploient fréquemment le terme circulation en y mettant un sens différent que celui d’un circuit clos. Le plus souvent, il est associé à l’idée de déplacement, de mouvements…. Bien que les contextes historiques et scolaires soient différents, un travail sur les différents modèles historiques doit permettre aux élèves de travailler leurs propres représentations et de dépasser cet obstacle.

Des exemples prototypiques de conceptions initiales des élèves

Les deux conceptions proposées ne laissent aucun doute que ce soit par le schéma ou par le texte sur leur vision du trajet du sang dans l’organisme. Mais beaucoup de productions d’élèves sont moins explicites. Seul le sens du trajet du sang représentés par des flèches permet de façon sure et certaine de catégoriser une conception d’élève. Cependant, les autres indices surtout quand ils sont nombreux et concordants peuvent permettre d’émettre une catégorisation probable. Voici une liste d’indices à rechercher tant dans le texte ou dans le schéma pour analyser des conceptions d’élèves sur la circulation sanguine.

Indices d’une conception irrigatrice

• Trajet du sang dans un seul sens ou bien à double sens 
• Vaisseaux ouverts à la périphérie
• Présence d’un seul type de vaisseaux arrivant aux organes
• Présence d’un seul type de sang

Indices d’une conception circulatrice

• Trajet du sang en sens unique avec un retour au cœur
• Existence de deux types de vaisseaux au niveau des organes (entrée et sortie)
• Existence d’une continuité entre les vaisseaux à la périphérie (directement, par d’autres vaisseaux, par le biais des organes)
• Plusieurs types de sang sont pensés (riche en 02, en CO2, en glucose…)

Il existe aussi des conceptions aller-retour où les élèves envisagent l’aller et le retour du sang du cœur aux organes par le même vaisseau.

Cet épisode vise à faire réfléchir les élèves au concept de circulation sanguine. Si le terme de circulation sanguine est connu par les élèves, ils n’y mettent pas toujours le sens attendu à savoir un aller et un retour du sang entre le cœur et les organes. Pour la plupart des élèves, le terme de circulation renvoie à déplacement, un mouvement. Certains élèves peuvent même ne pas envisager un retour du sang au cœur. L’épisode s’appuie sur la controverse qui se déroule au moment de la découverte de la circulation sanguine par William Harvey au XVIIème siècle. Elle oppose les partisans de Harvey, les circulateurs, et ses opposants, les irrigateurs qui défende le modèle de Galien admis à l’époque. Pour les circulateurs, le sang part du cœur jusqu’aux organes par les artères et revient au cœur par les veines. Pour les irrigateurs, le sang arrive par les veines et les artères jusqu’aux organes où il est consommé. Aucun retour n’est envisagé. Cette controverse important à l’époque diffuse dans la société comme dans le Malade Imaginaire de Molière. Cette pièce de théâtre que travaillent les Grandiloquents va les conduire à découvrir l’histoire de la découverte de la circulation sanguine.

"Au coeur du sujet" évoque les grands noms des savants liés à cette découverte. Elle a deux objectifs majeurs :

1. Problématiser le trajet du sang dans l’organisme

La bande dessinée ne décrit pas explicitement les deux modèles en question. Elle est pensée pour inviter les élèves à se questionner : qu’est-ce que l’irrigation ? qu’est-ce que cela veut dire circuler ? Elle cherche à faire réfléchir les élèves sur les modèles possibles des mouvements du sang dans le corps. Un débat des élèves autour des deux modèles mentionnés dans la BD leur permet d’une part de réfléchir à leur propre modèle explicatif, d’autre part de réfléchir aux limites de chacun. Associés à d’autres ressources (voir rubrique ressources complémentaires), la BD peut ainsi dégager la nécessité d’un modèle circulateur.

2. Réfléchir à la construction d'un savoir scientifique

"Au coeur du sujet" montre les nombreux savants associés à la découverte de la circulation sanguine. En effet, les travaux de ses prédécesseurs ont fortement influencé le travail de William Harvey. À côté de ces découvertes antérieurs, des expériences mais aussi des calculs sont évoqués. L’élaboration d’une connaissance biologique n’est donc pas réduite à la preuve expérimentale. Enfin la controverse entre circulateur et irrigateur montre l’importance de la communauté scientifique dans la validation d’une nouvelle découverte. Tous ces éléments permettent d’approcher la construction d’un savoir scientifique avec les élèves.

La circulation sanguine fut un concept long à construire. En effet, si les mouvements du cœur et du sang sont interrogés dès l’Antiquité, il faut attendre le XVIIe siècle pour que la circulation sanguine soit découverte par un médecin anglais William Harvey. En effet, depuis le deuxième siècle, le trajet du sang est envisagé selon un modèle irrigateur : le sang est distribué depuis le cœur par les veines et les artères vers les organes où il est consommé. Malgré des découvertes importantes comme le passage du sang par les poumons entre les deux ventricules (au XIIIe siècle au Moyen-Orient par Ibn al Nafis, au XVIe siècle en Occident par Servet et Colombo), ce modèle n’est pas remis en cause avec les travaux d’Harvey. Bien que basé sur de nombreux observations, expériences et calculs, le modèle circulateur est fortement discuté à l’époque car il laisse des problèmes en suspens, notamment celui du passage du sang entre les artères et les veines. En 1661, Marcello Malpighi décrit, grâce au microscope, les capillaires sanguins raccordant veines et artères au niveau des poumons. Cette découverte qui clôt le circuit sanguin valide le modèle de la circulation et met fin à la controverse. Nous présentons ici le travail sur les mouvements du sang des grands savants cités dans la BD

Galien (129-210) : médecin grec

Il démontre la présence de sang dans les artères et décrit précisément la structure du cœur (oreillettes ventricules, valvules) et ses mouvements. Il décrit un double système de distribution du sang vers les organes : dans les veines à partir du foie et dans les artères à partir du cœur. Le sang veineux est sombre et contient des aliments alors que le sang veineux rouge vif est riche en esprit vital. Le foie est vu comme l’organe sanguificateur : il fabrique le sang. Le sang sortant du foie est envoyé pour une partie dans les veines vers les organes et pour l’autre dans le ventricule droit. Une partie du sang veineux passe alors dans le ventricule gauche et se mélange avec l’air inspiré : il se transforme en esprit vital puis est distribué aux organes avec le sang artériel. Cette communication entre les deux ventricules se fait par des pores invisibles au niveau de la paroi interventriculaire. Cette idée va s’imposer pendant de nombreux siècles.

Ibn Al Nafis (1208-1288) : médecin syrien pratiquant au Caire.

Il est connu pour avoir décrit ce que l’on appelle aujourd’hui la petite circulation dans son Commentaire anatomique sur le Canon d’Avicenne. Le sang est envoyé du ventricule droit vers les poumons par l’artère pulmonaire avant de retourner dans le ventricule gauche par la veine pulmonaire. Malgré l’importance de cette découverte, le modèle irrigateur n’est pas remis en cause : le sang artériel part du cœur vers les organes et le sang veineux part du foie vers les organes. Les écrits d’Ibn Al Nafis ne seront pas diffusés en occident.

Michel Servet (1509-1553) : médecin anatomiste et théologien espagnol

Il écrit plusieurs livres de théologie controversés. En 1553, dans Restitutio christianismi, il décrit la petite circulation. S’appuyant sur des dissections, il explique le calibre important l’artère pulmonaire par la quantité importante de sang qu’elle envoie dans les poumons. Le sang se mélange ainsi avec l’air puis retourne dans le ventricule gauche par la veine pulmonaire. Il meurt brûlé pour hérésie en 1553 et la plupart de ses ouvrages sont détruits. Comme pour Ibn AL Nafis, c’est le passage du sang par la paroi interventriculaire qui est remis en cause mais pas le modèle irrigateur.

Vésale (1514-1564) : médecin anatomiste flamand

Galéniste convaincu, ses nombreuses dissections le conduisent cependant à remettre en cause le passage du sang par la paroi interventriculaire : il indique dans la seconde édition de son livre De corporus fabrica que la cloison entre les deux ventricules est imperméable.

Realdo Colombo (1516-1559) : médecin italien et professeur d’anatomie

Il publie en 1558 De re anatomica où il décrit en s’appuyant sur des dissections le passage par les poumons entre les deux ventricules. Il est celui par qui se diffuse cette découverte réalisée également par Ibn Al Nafis et Servet. Lui  non plus ne remet pas en cause le modèle irrigateur. Le sang est toujours consommé par les organes.

William Harvey (1578-1657) : médecin anglais

Sa découverte de la circulation sanguine remet en cause le modèle irrigateur accepté depuis 1400 ans. Il est le premier un démontre un aller du sang depuis le cœur dans les artères et un retour vers les cœur dans les veines. Il démontre sa théorie par un raisonnement rigoureux basé sur des dissections, des observations et des calculs. Ses principaux arguments sont basés sur :

• Le calcul de la quantité de sang éjecté par le cœur dans l’aorte en une journée. Cette quantité est trop importante pour être contenue dans tous les vaisseaux sanguins ou pour être consommés par les organes. Le sang arrivant aux organes doit donc retourner au cœur et c’est le même sang qui passe plusieurs fois par le cœur pendant 24h selon un mouvement circulaire.
• Les expériences de ligatures au niveau du bras qui permettent de mettre en évidence un mouvement du sang du cœur aux organes dans les artères et des organes au cœur dans les veines.
• Une observation de la disposition des valvules veineuses qui empêchent un reflux sanguin vers les organes.

La publication de son livre De motu cordis en 1628 où il expose sa découverte a donné lieu à une grande controverse entre partisans et opposants de la circulation.

Nous présentons ici quelques pistes d'utilisation autour de l'épisode 1 en classe avec des élèves. Une proposition plus détaillée est présentée dans la section suivante.

• Recueil et confrontation des conceptions initiales des élèves, identification de l’obstacle irrigateur.

• Lecture de la bande dessinée (totale ou partielle) pour poser le problème : qu’est-ce que cela veut dire circuler ?

• Comparer les modèles de Galien et de Harvey : en quoi sont-ils différents ? Quelles conséquences pour la nutrition des organes ? Pour le modèle de Galien, un renouvellement constant du sang est nécessaire puisqu’il est consommé au niveau des organes. Pour le modèle de Harvey, un rechargement en dioxygène et nutriments est nécessaire. Cela permet d’engager une réflexion des élèves sur l’organisation fonctionnelle de la circulation sanguine.

• Recherche bibliographique : apport de chaque savant dans l’histoire du concept de circulation sanguine

• Réalisation d’une maquette (scoubidou, pâte à modeler) du trajet du sang selon Galien, selon Harvey pour en comprendre les différences

• Travail autour des calculs faits par Harvey (élément fort de sa démonstration).

• Travail autour de la construction et de la nature de la science : non linéaire, temps de pause, les avancés, les reculs

Des extraits des ouvrages de William Harvey

Les extraits proposés reprennent les arguements principaux de William Harvey pour démontrer la circulation sanguine

• Extrait 1 présentant le trajet du sang selon Willam Harvey

« En considérant la grande quantité de sang que je trouvais dans les vivisections et les ouvertures d’artères (…), en réfléchissant (…) à l’abondance du sang mis en mouvement, à la rapidité de ce mouvement, je me demandais si le suc des aliments ingérés pouvait suffire à renouveler incessamment le sang incessamment épuisé. Je compris que les veines seraient vidées et épuisées, et que d’autre part, les artères se rompraient par cet afflux continuel de sang, si le sang ne retournait par quelque voie des artères dans les veines et ne revenait dans le ventricule droit du cœur. Je me suis donc d’abord demandé si le sang avait un mouvement circulaire, ce dont j’ai plus tard reconnu la vérité ; j’ai reconnu que le sang sortant du cœur était lancé par la contraction du ventricule gauche du cœur dans les artères et dans toutes les parties du corps, comme par la contraction du ventricule droit, dans l’artère pulmonaire et dans les poumons. De même passant par les veines, il revient dans la veine cave et jusque dans l’oreillette droite et passant par les veines pulmonaires, il revient dans l’oreillette gauche. On peut donc appeler ce mouvement du sang, mouvement circulaire… »

Extrait de La circulation du sang ; Des mouvements du cœur chez l’homme et chez les animaux – William Harvey (1628).

• Extrait 2 sur le calcul du sang passant par le coeur

« Admettons par le raisonnement ou par l’expérience que le ventricule gauche, dilaté et rempli de sang, contienne, une, deux ou trois onces de sang : j’ai pour ma part, trouvé sur un cadavre, plus de trois onces. Nous pouvons admettre que le cœur en se contractant perd une quantité quelconque de sang : en effet le ventricule en se resserrant contient moins de sang qu’auparavant : ainsi une certaine quantité de sang passe dans l’artère aorte. (…) Ainsi chez l’homme, nous supposons qu’à chaque contraction du cœur, il passe une once, ou trois drachmes de sang dans l’aorte. Ce sang ne peut revenir dans le cœur à cause de l’obstacle qui lui opposent les valvules. Or le cœur, en une demi-heure a plus de mille contractions ; chez quelques personnes même, il en a deux mille, trois mille et même quatre mille. En multipliant par drachmes, on voit qu’en une demi-heure il passe par le cœur dans les artères trois milles drachmes, ou cinq cents onces ; enfin une quantité beaucoup plus considérable que celle qu’on pourrait trouver dans tout le corps. (…) Ainsi en supputant la quantité de sang que le cœur envoie à chaque contraction et en comptant ces contractions, on voit que toute la masse du sang passe des veines dans les artères par le cœur et aussi par les poumons. D’ailleurs ne prenons ni une demi-heure, ni une heure, mais un jour : il est clair que le cœur par sa systole transmet plus de sang aux artères que les aliments ne pourraient en donner, plus que les veines ne pourraient en contenir. »

*Remarque : Une once correspond à 28,35 g et un drachme à 1,77g.

Extrait de La circulation du sang - Des mouvements du cœur chez l’homme et chez les animaux William Harvey (1628).

• Extrait 3 sur le sens de circulation du sang dans les veines et les artères

« Si on coupe une artère un peu considérable et la veine qui l’accompagne, on peut bien voir que la partie de la veine qui est voisine du cœur ne donne pas de sang, tandis que par l’autre partie il s’écoule du sang, et du sang seulement (…). Au contraire, pour l’artère, il s’écoule peu de sang de la partie périphérique, tandis que de l’autre côté, comme d’un siphon, jaillit un jet impétueux de sang pur. Cette expérience montre d’où vient et où va le sang quand il circule dans les parties. Nous voyons en outre qu’il s’écoule avec rapidité, qu’il est animé d’un mouvement impétueux et qu’il ne coule pas lentement et goutte à goutte. »

Extrait de Deux dissertations anatomiques sur la circulation du sang adressées à Jean Riolan - William Harvey – (1649)

Des schémas des différents modèles historiques

Les ouvrages de Galien et d’Harvey ne contiennent pas de schémas du trajet du sang dans l’organisme. Les deux schémas ci-dessous sont des versions didactisées de leurs deux modèles. Bien que le foie joue un rôle central dans le modèle de Galien, il a été fait le choix de ne pas le représenter pour que les élèves se focalisent sur le sens du trajet du sang entre le cœur et les organes.

Une maquette de la circulation sanguine à constuire

Nous proposons ici un scénario pédagogique possible pour une classe de cycle 4. Elle es basée sur les différentes ressources présentées dans les autres sections. Cette séquence peut s'envisager sur deux ou trois séances.

Phase 1 - Recueil des conceptions initiales des élèves sur le trajet du sang

Ce travail peut être réalisé avant le cours sur la circulation sanguine, ce qui peut laisser du temps à l’enseignant pour réaliser l’analyse.

Consigne donnée aux élèves : Comment le sang permet-il de nourrir les organes ? Quel est le trajet du sang dans l’organisme ? Présenter votre réponse sous forme d’un texte et d’un schéma

Il est possible de donner une silhouette de corps humain aux élèves pour faciliter le travail.

Phase 2- Problématisation de la séquence

Lecture du chapitre 1 de la bande dessinée. Cette lecture permet de poser le problème avec les éléves : qu’est-ce que cela veut dire circuler ?

Mise en groupe des élèves (3-4) avec leur production de la phase 1 et échanges entre eux.

Phase 3 – Lecture des chapitres 1 et 2 de la bande dessinée

Présentation des schémas des deux modèles historiques (sans les noms)  et comparaison avec les modèles des élèves.

Consigne donnée aux élèves : Expliquer les différences entre les deux modèles historiques et comparer les avec vos productions. Quelles sont les conséquences de chaque modèle sur la nutrition des organes ?

Phase 4 -  L’histoire de la circulation sanguine

Problème travaillé : quelles sont les découvertes qui ont eu lieu entre le modèle de Galien et le modèle de Harvey ?

Les élèves recherchent par groupe la découverte d’un savant sur la circulation sanguine avant Harvey (Ibn Al Nafis, Colombo, Vésale)

Consigne donnée aux élèves : identifier la découverte réalisée par un savant cité dans la BB

Réalisation d’un frise chronologique resituant les différentes découvertes. Cela peut permettre d’engager une discussion avec les élèves sur la construction d’un savoir scientifique.

Phase 5  - Justifier le modèle circulateur de Harvey

Lecture de l’extrait 1 de Harvey

Problème travaillé : quels sont arguments développés par Harvey pour justifier son modèle circulateur ?

Lecture de l’extrait 2 de Harvey.
Consigne donnée aux élèves : Calculer en kg la quantité de sang sortant du cœur en une heure et en une journée.

Lecture de l’extrait 3 de Harvey.

Consigne donnée aux élèves : Identifier le sens de circulation dans les veines et dans les artères.

Phase 6 - Bilan sur le trajet du sang dans l'organisme

Problème travaillé :  Comment la circulation sanguine permet-elle d’apporter en permanence du dioxygène et des nutriments aux organes ?

Réalisation de la maquette avec les élèves.

Bilan avec les élèves : retour sur le modèle de Harvey où les aspects fonctionnels ne sont pas présents.