39.1 : Systèmes d'échange de gaz

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Compétences à développer

Décrire le passage de l'air de l'environnement extérieur vers les poumons
Expliquer comment les poumons sont protégés contre les particules

La principale fonction du système respiratoire est de fournir de l'oxygène aux cellules des tissus de l'organisme et d'éliminer le dioxyde de carbone, un déchet cellulaire. Les principales structures du système respiratoire humain sont les fosses nasales, la trachée et les poumons.

Tous les organismes aérobies ont besoin d'oxygène pour exercer leurs fonctions métaboliques. Le long de l'arbre évolutif, différents organismes ont conçu différents moyens d'obtenir de l'oxygène de l'atmosphère environnante. L'environnement dans lequel vit l'animal détermine en grande partie la façon dont il respire. La complexité du système respiratoire est corrélée à la taille de l'organisme. À mesure que la taille des animaux augmente, les distances de diffusion augmentent et le rapport entre la surface et le volume diminue. Dans les organismes unicellulaires, la diffusion à travers la membrane cellulaire est suffisante pour fournir de l'oxygène à la cellule (Figure\(\PageIndex{1}\)). La diffusion est un processus de transport lent et passif. Pour que la diffusion soit un moyen réalisable de fournir de l'oxygène à la cellule, le taux d'absorption d'oxygène doit correspondre au taux de diffusion à travers la membrane. En d'autres termes, si la cellule était très grande ou épaisse, la diffusion ne serait pas en mesure de fournir de l'oxygène assez rapidement à l'intérieur de la cellule. Par conséquent, la dépendance à la diffusion comme moyen d'obtenir de l'oxygène et d'éliminer le dioxyde de carbone reste possible uniquement pour les petits organismes ou ceux dont le corps est très aplati, tels que de nombreux vers plats (Platyhelminthes). Les organismes de plus grande taille devaient développer des tissus respiratoires spécialisés, tels que des branchies, des poumons et des voies respiratoires, accompagnés de systèmes circulatoires complexes, pour transporter l'oxygène dans tout leur corps.

La photo montre une cellule ronde et verte avec une surface lisse et brillante. La cellule ressemble à un ballon. — Figure\(\PageIndex{1}\) : La cellule de l'algue unicellulaire *Ventricaria ventricosa* est l'une des plus grandes connues, atteignant un à cinq centimètres de diamètre. Comme tous les organismes unicellulaires, *V. ventricosa* échange des gaz à travers la membrane cellulaire.

Diffusion directe

Pour les petits organismes multicellulaires, la diffusion à travers la membrane externe est suffisante pour répondre à leurs besoins en oxygène. L'échange de gaz par diffusion directe à travers les membranes de surface est efficace pour les organismes de moins de 1 mm de diamètre. Dans les organismes simples, tels que les cnidaires et les ascaris, chaque cellule du corps est proche de l'environnement extérieur. Leurs cellules sont maintenues humides et les gaz se diffusent rapidement par diffusion directe. Les vers plats sont de petits vers littéralement plats qui « respirent » par diffusion à travers la membrane externe (Figure\(\PageIndex{2}\)). La forme plate de ces organismes augmente la surface de diffusion, garantissant ainsi que chaque cellule du corps est proche de la surface de la membrane externe et a accès à l'oxygène. Si le ver plat avait un corps cylindrique, les cellules du centre ne pourraient pas obtenir d'oxygène.

La photo montre un ver au corps plat ressemblant à un ruban, posé sur du sable. Le ver est noir avec des taches blanches. — Figure\(\PageIndex{2}\) : Le processus de respiration de ce ver plat fonctionne par diffusion à travers la membrane externe. (crédit : Stephen Childs)

Peau et branchies

Les vers de terre et les amphibiens utilisent leur peau (tégument) comme organe respiratoire. Un réseau dense de capillaires se trouve juste sous la peau et facilite les échanges gazeux entre l'environnement extérieur et le système circulatoire. La surface respiratoire doit être maintenue humide afin que les gaz se dissolvent et se diffusent à travers les membranes cellulaires.

Les organismes qui vivent dans l'eau ont besoin d'obtenir de l'oxygène à partir de l'eau. L'oxygène se dissout dans l'eau mais à une concentration plus faible que dans l'atmosphère. L'atmosphère contient environ 21 % d'oxygène. Dans l'eau, la concentration en oxygène est beaucoup plus faible que cela. Les poissons et de nombreux autres organismes aquatiques ont développé des branchies pour absorber l'oxygène dissous de l'eau (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les branchies sont de fins filaments tissulaires très ramifiés et plissés. Lorsque l'eau passe au-dessus des branchies, l'oxygène dissous dans l'eau se diffuse rapidement à travers les branchies dans la circulation sanguine. Le système circulatoire peut ensuite transporter le sang oxygéné vers les autres parties du corps. Chez les animaux qui contiennent du liquide cœlomique au lieu du sang, l'oxygène diffuse à travers les surfaces branchiales pour atteindre le liquide cœlomique. Les branchies se trouvent dans les mollusques, les annélides et les crustacés.

La photo montre une carpe avec un coin de peau à l'arrière de la tête découpé, révélant des branchies roses. — Figure\(\PageIndex{3}\) : Cette carpe commune, comme de nombreux autres organismes aquatiques, possède des branchies qui lui permettent d'obtenir de l'oxygène à partir de l'eau. (crédit : « Guitardude012"/Wikimedia Commons)

Les surfaces repliées des branchies offrent une grande surface permettant au poisson d'obtenir suffisamment d'oxygène. La diffusion est un processus au cours duquel la matière se déplace des régions à forte concentration vers des régions à faible concentration jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. Dans ce cas, le sang à faible concentration de molécules d'oxygène circule à travers les branchies. La concentration de molécules d'oxygène dans l'eau est plus élevée que la concentration de molécules d'oxygène dans les branchies. En conséquence, les molécules d'oxygène diffusent de l'eau (concentration élevée) vers le sang (faible concentration), comme le montre la figure\(\PageIndex{4}\). De même, les molécules de dioxyde de carbone présentes dans le sang se diffusent du sang (concentration élevée) vers l'eau (faible concentration).

L'illustration montre un poisson, avec une boîte indiquant l'emplacement des branchies, derrière la tête. Une image rapprochée montre les branchies, dont chacune ressemble à un ver à plumes. Deux piles de branchies s'attachent à une structure appelée arc branchial colonnaire, formant un grand V. L'eau entre chaque branchie depuis l'extérieur du V, puis sort du sommet du V. Les veines pénètrent dans les branchies à partir de la base de l'arc branchial, et les artères repartent du côté opposé. Une image rapprochée d'une seule branchie montre que l'eau circule au-dessus des branchies, passant d'abord par des veines désoxygénées, puis par des artères oxygénées. — Figure\(\PageIndex{4}\) : Lorsque l'eau coule sur les branchies, l'oxygène est transféré au sang par les veines. (crédit « fish » : modification de l'œuvre de Duane Raver, NOAA)

Systèmes trachéaux

La respiration des insectes étant indépendante de leur système circulatoire, le sang ne joue aucun rôle direct dans le transport de l'oxygène. Les insectes ont un type de système respiratoire hautement spécialisé appelé système trachéal, qui consiste en un réseau de petits tubes qui transportent l'oxygène vers tout le corps. Le système trachéal est l'appareil respiratoire le plus direct et le plus efficace chez les animaux actifs. Les tubes du système trachéal sont faits d'un matériau polymère appelé chitine.

Les corps des insectes présentent des ouvertures, appelées spiracles, le long du thorax et de l'abdomen. Ces ouvertures se connectent au réseau tubulaire, permettant à l'oxygène de pénétrer dans le corps (Figure\(\PageIndex{5}\)) et régulant la diffusion du CO ₂ et de la vapeur d'eau. L'air entre et sort du système trachéal par les spiracles. Certains insectes peuvent ventiler le système trachéal avec les mouvements du corps.

L'illustration montre le système trachéal d'une abeille. Des ouvertures appelées spiracles apparaissent sur les côtés du corps. Des tubes verticaux mènent des spiracles à un tube qui longe le haut du corps de l'avant vers l'arrière. — Figure\(\PageIndex{5}\) : Les insectes respirent par le biais d'un système trachéal.

Systèmes pour mammifères

Chez les mammifères, la ventilation pulmonaire se fait par inhalation (respiration). Lors de l'inhalation, l'air pénètre dans le corps par la cavité nasale située juste à l'intérieur du nez (Figure\(\PageIndex{6}\)). Lorsque l'air traverse la cavité nasale, l'air est réchauffé à la température corporelle et humidifié. Les voies respiratoires sont recouvertes de mucus pour empêcher les tissus d'entrer en contact direct avec l'air. Le mucus est riche en eau. Lorsque l'air traverse ces surfaces des muqueuses, il capte de l'eau. Ces processus aident à équilibrer l'air en fonction des conditions corporelles, réduisant ainsi les dommages que l'air froid et sec peut causer. Les particules qui flottent dans l'air sont éliminées dans les voies nasales par le mucus et les cils. Les processus de réchauffement, d'humidification et d'élimination des particules sont des mécanismes de protection importants qui empêchent d'endommager la trachée et les poumons. Ainsi, l'inhalation sert à plusieurs fins en plus d'apporter de l'oxygène dans le système respiratoire.

Art Connection

L'illustration montre le flux d'air dans le système respiratoire humain. La cavité nasale est une large cavité située au-dessus et derrière les narines, et le pharynx est le passage situé derrière la bouche. La cavité nasale et le pharynx se rejoignent et pénètrent dans la trachée par le larynx. Le larynx est légèrement plus large que la trachée et plat. La trachée possède des rainures concentriques en forme d'anneau, ce qui lui donne un aspect bosselé. La trachée se divise en deux bronches primaires, qui sont également rainurées. Les bronches primaires pénètrent dans les poumons et se ramifient dans les bronches secondaires. Les bronches secondaires se ramifient à leur tour en de nombreuses bronches tertiaires. Les bronches tertiaires se ramifient en bronchioles, qui se ramifient en bronchioles terminales. Chaque bronchiole terminale se termine par un sac alvéolaire. Chaque sac alvéolaire contient de nombreuses alvéoles regroupées, comme des grappes de raisin. Le canal alvéolaire est le passage de l'air dans le sac alvéolaire. Les alvéoles sont creuses et de l'air s'y vide. Les artères pulmonaires acheminent le sang désoxygéné vers le sac alvéolaire (et apparaissent donc en bleu), et les veines pulmonaires renvoient le sang oxygéné (et apparaissent donc en rouge) vers le cœur. Les capillaires forment un réseau autour de chaque alvéole. Le diaphragme est une membrane qui pousse vers le haut contre les poumons. — Figure\(\PageIndex{6}\) : L'air pénètre dans le système respiratoire par les fosses nasales et le pharynx, puis passe par la trachée et dans les bronches, qui amènent l'air dans les poumons. (crédit : modification de l'œuvre par le NCI)

Laquelle des affirmations suivantes concernant l'appareil respiratoire des mammifères est fausse ?

Lorsque nous respirons, l'air passe du pharynx à la trachée.
Les bronchioles se ramifient dans les bronches.
Les canaux alvéolaires se connectent aux sacs alvéolaires.
L'échange de gaz entre les poumons et le sang a lieu dans l'alvéole.

De la cavité nasale, l'air traverse le pharynx (gorge) et le larynx (boîte vocale) pour se diriger vers la trachée (Figure\(\PageIndex{6}\)). La fonction principale de la trachée est de canaliser l'air inhalé vers les poumons et de renvoyer l'air expiré hors du corps. La trachée humaine est un cylindre d'environ 10 à 12 cm de long et 2 cm de diamètre qui se trouve à l'avant de l'œsophage et s'étend du larynx à la cavité thoracique où elle se divise en deux bronches primaires au niveau du médithorax. Il est composé d'anneaux incomplets de cartilage hyalin et de muscle lisse (Figure\(\PageIndex{7}\)). La trachée est recouverte de cellules caliciformes productrices de mucus et d'épithéliums ciliés. Les cils propulsent les particules étrangères emprisonnées dans le mucus vers le pharynx. Le cartilage fournit force et soutien à la trachée pour maintenir le passage ouvert. Le muscle lisse peut se contracter, diminuant ainsi le diamètre de la trachée, ce qui provoque une forte augmentation de l'air expiré depuis les poumons. L'expiration forcée aide à expulser le mucus lorsque nous toussons. Les muscles lisses peuvent se contracter ou se détendre, en fonction des stimuli provenant de l'environnement extérieur ou du système nerveux du corps.

L'illustration montre la trachée, ou trachée. Le larynx est un large collier situé au sommet de la trachée. Au fond, la trachée se divise en tubes plus petits, appelés bronches primaires, qui pénètrent dans les poumons droit et gauche. À l'intérieur des poumons, les bronches se ramifient en bronches primaires et secondaires, puis en bronchioles. — Figure\(\PageIndex{7}\) : La trachée et les bronches sont constituées d'anneaux cartilagineux incomplets. (crédit : modification de l'œuvre de Gray's Anatomy)

Poumons : bronches et alvéoles

L'extrémité de la trachée bifurque (se divise) vers les poumons droit et gauche. Les poumons ne sont pas identiques. Le poumon droit est plus gros et contient trois lobes, tandis que le poumon gauche, plus petit, en contient deux (Figure\(\PageIndex{8}\)). Le diaphragme musculaire, qui facilite la respiration, est situé en dessous des poumons et marque l'extrémité de la cavité thoracique.

L'illustration montre la trachée, qui commence au sommet du cou et descend jusqu'à la poitrine, où elle se ramifie dans les bronches, qui pénètrent dans les poumons. Le poumon gauche possède deux lobes. Le lobe supérieur est situé devant et au-dessus du lobe inférieur. Le poumon droit possède trois lobes. Le lobe supérieur se trouve en haut, le lobe inférieur est en bas et le lobe central est pris en sandwich entre eux. Le diaphragme appuie contre le bas des poumons et a l'apparence d'une peau tendue sur le dessus d'un tambour. De larges rabats du diaphragme s'étendent vers le bas sur les côtés avant gauche et droit du corps. Sur le dos, de fines lamelles du diaphragme s'étendent vers le bas de chaque côté de la colonne vertébrale. — Figure\(\PageIndex{8}\) : La trachée bifurque dans les bronches droite et gauche des poumons. Le poumon droit est composé de trois lobes et est plus gros. Pour accommoder le cœur, le poumon gauche est plus petit et ne possède que deux lobes.

Dans les poumons, l'air est dévié vers des passages de plus en plus petits, ou bronches. L'air pénètre dans les poumons par les deux bronches primaires (principales) (singulier : bronche). Chaque bronche se divise en bronches secondaires, puis en bronches tertiaires, qui se divisent à leur tour, créant des bronchioles de plus en plus petits de diamètre au fur et à mesure qu'elles se divisent et se propagent dans les poumons. Comme la trachée, les bronches sont constituées de cartilage et de muscles lisses. Au niveau des bronchioles, le cartilage est remplacé par des fibres élastiques. Les bronches sont innervées par les nerfs des systèmes nerveux parasympathique et sympathique qui contrôlent la contraction musculaire (parasympathique) ou la relaxation (sympathique) des bronches et des bronchioles, selon les signaux du système nerveux. Chez l'homme, les bronchioles d'un diamètre inférieur à 0,5 mm sont les bronchioles respiratoires. Ils n'ont pas de cartilage et dépendent donc de l'air inhalé pour maintenir leur forme. À mesure que le diamètre des voies de circulation diminue, la quantité relative de muscles lisses augmente.

Les bronchioles terminales se subdivisent en branches microscopiques appelées bronchioles respiratoires. Les bronchioles respiratoires se subdivisent en plusieurs canaux alvéolaires. De nombreuses alvéoles et sacs alvéolaires entourent les canaux alvéolaires. Les sacs alvéolaires ressemblent à des grappes de raisins attachées à l'extrémité des bronchioles (Figure\(\PageIndex{9}\)). Dans la région acineuse, les canaux alvéolaires sont attachés à l'extrémité de chaque bronchiole. À l'extrémité de chaque conduit se trouvent environ 100 sacs alvéolaires contenant chacun de 20 à 30 alvéoles de 200 à 300 microns de diamètre. L'échange de gaz ne se produit que dans les alvéoles. Les alvéoles sont constituées de cellules parenchymateuses à parois minces, généralement épaisses d'une seule cellule, qui ressemblent à de minuscules bulles à l'intérieur des sacs. Les alvéoles sont en contact direct avec les capillaires (une cellule d'épaisseur) du système circulatoire. Un tel contact intime garantit que l'oxygène se diffuse des alvéoles dans le sang et soit distribué aux cellules du corps. De plus, le dioxyde de carbone produit par les cellules sous forme de déchets se diffusera du sang vers les alvéoles pour être expiré. La disposition anatomique des capillaires et des alvéoles met l'accent sur la relation structurelle et fonctionnelle entre les systèmes respiratoire et circulatoire. Comme il y a tant d'alvéoles (environ 300 millions par poumon) dans chaque sac alvéolaire et tant de sacs à l'extrémité de chaque canal alvéolaire, les poumons ont une consistance semblable à une éponge. Cette organisation produit une très grande surface disponible pour les échanges de gaz. La surface des alvéoles dans les poumons est d'environ 75 m ². Cette grande surface, combinée à la nature à paroi mince des cellules parenchymateuses alvéolaires, permet aux gaz de se diffuser facilement à travers les cellules.

L'illustration montre un tube bronchique terminal se ramifiant dans trois canaux alvéolaires. À l'extrémité de chaque conduit se trouve un sac alvéolaire composé de 20 à 30 alvéoles regroupées, comme des raisins. L'espace aérien situé au centre du sac alvéolaire, appelé atrium, est continu avec l'espace d'air à l'intérieur de l'alvéole, de sorte que l'air peut circuler de l'oreillette vers l'alvéole. Des capillaires entourent chaque alvéole et c'est là que se produit l'échange gazeux. Une artère pulmonaire (illustrée en bleu) longe la bronchiole terminale, acheminant le sang désoxygéné du cœur vers les alvéoles. Une veine pulmonaire (en rouge) longeant la bronchiole ramène le sang oxygéné vers le cœur. De petites glandes muqueuses plates sont associées à l'extérieur des bronches. — Figure\(\PageIndex{9}\) : Les bronchioles terminales sont reliées par des bronchioles respiratoires aux canaux alvéolaires et aux sacs alvéolaires. Chaque sac alvéolaire contient de 20 à 30 alvéoles sphériques et a l'apparence d'une grappe de raisin. L'air s'écoule dans l'oreillette du sac alvéolaire, puis circule dans les alvéoles où se produit un échange gazeux avec les capillaires. Les glandes muqueuses sécrètent du mucus dans les voies respiratoires, les gardant humides et souples. (crédit : modification de l'œuvre de Mariana Ruiz Villareal)

Lien vers l'apprentissage

Regardez la vidéo suivante pour examiner le système respiratoire.

Mécanismes de protection

L'air que respirent les organismes contient des particules telles que de la poussière, de la saleté, des particules virales et des bactéries qui peuvent endommager les poumons ou déclencher des réactions immunitaires allergiques. Le système respiratoire contient plusieurs mécanismes de protection pour éviter les problèmes ou les lésions tissulaires. Dans la cavité nasale, les poils et le mucus retiennent les petites particules, les virus, les bactéries, la poussière et la saleté pour empêcher leur pénétration.

Si les particules passent par le nez ou pénètrent par la bouche, les bronches et les bronchioles des poumons contiennent également plusieurs dispositifs de protection. Les poumons produisent du mucus, une substance collante composée de mucine, une glycoprotéine complexe, ainsi que de sels et d'eau, qui retient les particules. Les bronches et les bronchioles contiennent des cils, de petites projections ressemblant à des cheveux qui tapissent les parois des bronches et des bronchioles (Figure\(\PageIndex{10}\)). Ces cils battent à l'unisson et évacuent le mucus et les particules des bronches et des bronchioles vers la gorge où ils sont avalés et éliminés par l'œsophage.

Chez l'homme, par exemple, le goudron et d'autres substances présentes dans la fumée de cigarette détruisent ou paralysent les cils, ce qui rend l'élimination des particules plus difficile. De plus, le tabagisme fait en sorte que les poumons produisent plus de mucus, que les cils endommagés ne peuvent pas déplacer. Cela provoque une toux persistante, car les poumons essaient de se débarrasser des particules, et rend les fumeurs plus vulnérables aux maladies respiratoires.

Dans cette micrographie, les cils sont de longues projections fines ressemblant à des poils. — Figure\(\PageIndex{10}\) : Les bronches et les bronchioles contiennent des cils qui aident à évacuer le mucus et les autres particules des poumons. (source : Louisa Howard, modification des travaux par l'installation de microscopie électronique de Dartmouth)

Résumé

Les systèmes respiratoires des animaux sont conçus pour faciliter les échanges gazeux. Chez les mammifères, l'air est réchauffé et humidifié dans la cavité nasale. L'air descend ensuite le long du pharynx, traverse la trachée et pénètre dans les poumons. Dans les poumons, l'air traverse les bronches ramifiées pour atteindre les bronchioles respiratoires, qui abritent le premier site d'échange gazeux. Les bronchioles respiratoires débouchent dans les canaux alvéolaires, les sacs alvéolaires et les alvéoles. En raison du grand nombre d'alvéoles et de sacs alvéolaires dans les poumons, la surface d'échange de gaz est très grande. Plusieurs mécanismes de protection sont en place pour prévenir les dommages ou les infections. Il s'agit notamment des poils et du mucus présents dans la cavité nasale qui retiennent la poussière, la saleté et d'autres particules avant qu'elles ne pénètrent dans le système. Dans les poumons, les particules sont piégées dans une couche de mucus et transportées par les cils jusqu'à l'ouverture œsophagienne située au sommet de la trachée pour être avalées.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{6}\) : Parmi les affirmations suivantes concernant le système respiratoire des mammifères, laquelle est fausse ?

Lorsque nous respirons, l'air passe du pharynx à la trachée.
Les bronchioles se ramifient dans les bronches.
Les canaux alvéolaires se connectent aux sacs alvéolaires.
L'échange de gaz entre les poumons et le sang a lieu dans l'alvéole.

Réponse: B

Lexique

canal alvéolaire: conduit qui s'étend de la bronchiole terminale au sac alvéolaire

sac alvéolaire: structure composée de deux ou plusieurs alvéoles qui partagent une ouverture commune

alvéole: (pluriel : alvéoles) (également sac à air) région terminale du poumon où se produit l'échange gazeux

bronche: (pluriel : bronches) plus petite branche de tissu cartilagineux qui provient de la trachée ; l'air est canalisé à travers les bronches jusqu'à la région où se produit l'échange gazeux dans les alvéoles

bronchiole: voie aérienne qui s'étend des bronches tertiaires principales au sac alvéolaire

diaphragme: muscle squelettique en forme de dôme situé sous les poumons et séparant la cavité thoracique de la cavité abdominale

larynx: boîte vocale, un court passage reliant le pharynx et la trachée

mucine: glycoprotéine complexe présente dans le mucus

mucus: sécrétion de liquide collant contenant des protéines dans les poumons qui piège les particules à expulser du corps

cavité nasale: ouverture du système respiratoire à l'environnement extérieur

matière particulaire: de petites particules telles que de la poussière, de la saleté, des particules virales et des bactéries présentes dans l'air

pharynx: gorge : tube qui part des narines internes et descend à mi-chemin le long du cou, où il débouche dans l'œsophage et le larynx

bronche primaire: (également, bronche principale) région des voies respiratoires du poumon qui se rattache à la trachée et bifurque vers chaque poumon où elle se ramifie pour former des bronches secondaires

bronchiole respiratoire: partie terminale de l'arbre des bronchioles fixée aux bronchioles terminales et aux canaux alvéolaires, aux sacs alvéolaires et aux alvéoles

bronchiole terminale: région de la bronchiole qui se fixe aux bronchioles respiratoires

trachée-artère: tube cartilagineux qui transporte l'air du larynx vers les bronches primaires