Introduction à la biophysique et solutions bio-électrolytiques

La biophysique applique les lois de la physique aux systèmes vivants : elle étudie les phénomènes physiques qui se déroulent dans l'organisme (circulation, respiration, échanges ioniques) et l'action des agents physiques externes (rayonnements, électricité, sons). Ce premier chapitre pose le vocabulaire des solutions électrolytiques — concentrations, mobilité, conductivité, diffusion — indispensable pour les exercices de calcul qui ouvrent presque tous les examens de S3.

1. Qu'est-ce que la biophysique ?

La biophysique est l'étude des phénomènes physiques des constituants des êtres vivants et de l'action des agents physiques sur ces êtres vivants. Elle couvre trois axes : les phénomènes physiques internes (hémodynamique, mécanique respiratoire, équilibre acido-basique, potentiels membranaires), l'action des agents externes (rayonnements ionisants et non ionisants, champs électriques, ultrasons) et les méthodes physiques de diagnostic et de thérapie (radiographie, scanner, IRM, scintigraphie, radiothérapie). Historiquement, la discipline naît du dialogue entre médecine et physique : Ibn Al-Haytham fonde l'optique expérimentale et explique le fonctionnement de l'œil, Harvey puis Poiseuille étudient l'écoulement du sang, Röntgen découvre les rayons X en 1895 et Becquerel la radioactivité en 1896.

2. Solutions et modes d'expression de la concentration

Une solution est un mélange homogène d'un solvant (constituant majoritaire, l'eau dans les milieux biologiques) et d'un ou plusieurs solutés. On distingue plusieurs concentrations : la concentration massique (g/L de solution), la concentration molaire ou molarité C = n/V (mol/L de solution), la molalité (mol/kg de solvant, indépendante de la température) et la concentration pondérale (g/kg de solvant). Pour les ions, on utilise en plus la concentration équivalente C_éq = |z| × C (en Eq/L ou mEq/L), où z est la valence : une solution de CaCl₂ à 1 mmol/L contient 2 mEq/L de Ca²⁺ et 2 mEq/L de Cl⁻. Dans tout liquide biologique, la somme des cations en mEq/L est égale à la somme des anions : c'est l'électroneutralité.

3. Électrolytes forts et faibles, rôle biologique

Une solution électrolytique conduit le courant électrique grâce à des ions libres. Sous un champ électrique, les cations migrent vers la cathode (électrode négative) et les anions vers l'anode (électrode positive). Les électrolytes forts (NaCl, KCl, HCl, NaOH) se dissocient totalement et donnent des solutions très conductrices ; les électrolytes faibles (acide acétique, acide carbonique, ammoniac) ne se dissocient que partiellement, avec un coefficient de dissociation α < 1. Les électrolytes assurent l'osmolarité des compartiments, l'équilibre acido-basique (tampon bicarbonate), l'excitabilité des cellules nerveuses et musculaires et de nombreuses réactions enzymatiques. Le plasma contient environ 140 mmol/L de Na⁺, 4 mmol/L de K⁺ et 100 mmol/L de Cl⁻, alors que le milieu intracellulaire est riche en K⁺ et pauvre en Na⁺.

4. Mobilité ionique, courant et conductivité

Un ion placé dans un champ électrique E atteint rapidement une vitesse limite v proportionnelle au champ : v = u × E. Le coefficient u est la mobilité ionique, exprimée en m²·V⁻¹·s⁻¹ ; elle est d'autant plus grande que l'ion hydraté est petit et que la viscosité du solvant est faible. Le flux ionique (mol·m⁻²·s⁻¹) et la densité de courant j (A/m²) en découlent : j = Σ |z_i| F C_i u_i E, où F = 96 500 C/mol est le faraday. Le facteur devant E est la conductivité σ (S/m) de la solution ; son inverse est la résistivité ρ = 1/σ (Ω·m). Pour une cellule de mesure de longueur L et de section S, la résistance vaut R = ρ L / S et la conductance G = 1/R (siemens). La conductivité molaire Λ = σ / C permet de comparer des électrolytes : elle est presque constante pour un électrolyte fort et chute avec la concentration pour un électrolyte faible (loi de dilution d'Ostwald).

5. Diffusion et coefficient de diffusion

Sans champ électrique, les solutés se déplacent par diffusion des zones concentrées vers les zones diluées. La première loi de Fick s'écrit J = −D × dC/dx : le flux J est proportionnel au gradient de concentration, et le coefficient de diffusion D (m²/s) dépend de la taille de la particule, de la température et de la viscosité selon la relation de Stokes-Einstein D = k_BT / (6π η r). La relation d'Einstein relie mobilité et diffusion : D = u k_BT / q. Une petite molécule comme l'urée diffuse vite ; une protéine comme l'albumine, beaucoup plus lentement. La diffusion est efficace sur de courtes distances (épaisseur d'une membrane, paroi capillaire) mais trop lente à l'échelle d'un organe, d'où la nécessité d'une circulation.