Professeur de physiologie dans les universités de Marburg (1846-1849), Zurich (1849-1855), Vienne (1855-1865) et Leipzig (1865-1895), Ludwig est surtout connu pour ses études sur le système cardio-vasculaire. Il inventa en 1847 un appareil connu sous le nom de kymographion (hémodynanomètre) pour enregistrer les modifications de la pression sanguine artérielle, en 1867 un stromuhr ou flux-mètre, pour mesurer le flux sanguin dans les artères et les veines, et une pompe à mercure pour la séparation des gaz du sang, ce qui permit de comprendre le rôle du sang dans les échanges gazeux respiratoires.
Il fut le premier à conserver des organes animaux vivants in vitro en perfusant des cœurs de grenouilles avec une solution reproduisant approximativement la composition du plasma sanguin (1856), à localiser un mécanisme régulateur des vaisseaux sanguins dans la medulla oblongata (à la base du cerveau), et à mesurer la pression sanguine dans les capillaires. Il découvrit les nerfs dépresseurs et accélérateurs du cœur et, avec le physiologiste américain Henry Bowditch, formula, en 1871, la loi du « tout ou rien », selon laquelle le muscle cardiaque, sous l'effet d'un stimulus quelconque, se contracte au maximum ou pas du tout.
Les théories modernes sur la formation de l'urine et de la lymphe dérivent de son article (1844) sur la sécrétion urinaire : il émettait l'hypothèse que la couche superficielle, ou épithélium, des tubules rénaux (glomérules) sert de filtre passif dans la production de l'urine, dont la quantité est contrôlée par la pression sanguine. Il montra également que le dosage de l'azote dans l'urine peut servir à déterminer le taux approximatif du métabolisme protéique pour l'animal entier, et que les glandes digestives humaines peuvent être influencées par les nerfs sécréteurs.
Jean CALMARD
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