Branchie et poumon : des organes d'échange des gaz respiratoires en milieu aquatique et en milieu aérien | ||
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La dissection d’un Gardon révèle l’existence de quatre paires de branchies situées dans deux cavités branchiales latérales, protégées par les opercules. Chaque branchie est formée d'un arc branchial portant une succession de lames branchiales agencées en paires. Les arcs branchiaux sont séparés par les fentes branchiales. Les lames branchiales portent de multiples lamelles.
La lamelle est le lieu de l’hématose. Elle présente un épithélium unistratifié pavimenteux. Des cellules en pilier l'empêchent de collapser.
Les branchies sont des évaginations du pharynx portés par le milieu aquatique dense. Qu'en est-il des poumons ?
L’appareil respiratoire de la Souris est constitué d’une trachée reliée aux poumons par des bronches. Le poumon droit est subdivisé en quatre lobes tandis que le poumon gauche est unilobé.
Les bronches se subdivisent en bronchioles. Aux extrémités des bronchioles se situent les alvéoles pulmonaires, où sont réalisés les échanges gazeux. L’alvéole pulmonaire présente un épithélium unistratifié constitué de plusieurs types cellulaires : les pneumocytes de type I, pavimenteux et les pneumocytes de type II cubiques.
Les poumons sont des invaginations du pharynx alors que les branchies sont des évaginations pharyngiennes.
Les échangeurs des gaz respiratoires sont représentées par les lamelles branchiales chez les Téléostéens et par les alvéoles pulmonaires chez les Mammifères.
Ces surfaces représentent 400 cm2 chez la Truite et 70 à 100 m2 chez un adulte de l'espèce humaine. La surface de l’échangeur est donc élevée par rapport à la surface de l’organisme.
La mesure de l’épaisseur de l’échangeur sur des coupes histologiques révèle une distance de 3,3 µm entre milieu extérieur et milieu intérieur chez le Gardon et de 1,7 µm chez le Rat. La paroi est donc très fine.
Ces caractéristiques permettent une optimisation des échanges gazeux respiratoires. Le passage du dioxygène du milieu extérieur vers le sang et du dioxyde de carbone du sang vers le milieu extérieur s’effectue par diffusion simple. La diffusion est un mécanisme de passage de molécules d’un compartiment où elles sont concentrées vers un autre moins où elles sont moins concentrées. Réalisée selon le gradient de concentration, elle n'implique pas de consommation d’énergie.
La loi de Fick décrit la diffusion. Dans le cas d’un gaz noté x, son expression est :
Jx = Kx x ΔPx x S / E
avec
Kx, constante de diffusion du gaz en mol.s-1.m-1.Pa-1 ;
ΔPx, différence de pression partielle entre milieu extérieur et milieu intérieur en Pa ;
S, aire de la surface d’échanges en m ;2
E, épaisseur de la surface d'échanges en m.
Le flux J est exprime en mol.s-1.
D’après la loi de Fick, le flux est plus important si l’aire de la surface d’échanges est grande et que son épaisseur est faible. La structure des branchies et des poumons est telle que les échanges sont optimisés.
Les échangeurs respiratoires des Téléostéens et des Mammifères présentent une grande surface et une faible épaisseur. Ces caractéristiques les rendent fragiles vis-à-vis de divers agents extérieurs tels que les agents pathogènes, la pression chez les Téléostéens, la déshydratation chez les Mammifères.
Les branchies des Téléostéens sont isolées du milieu extérieur grâce aux opercules. Elles résistent à la pression exercée par l’eau à l’aide des cellules en pilier. Les poumons des Mammifères sont quant à eux protégés par la cage thoracique. Les pneumocytes de type II produisent une substance nommée surfactant dont la fonction est de de diminuer la tension superficielle des bronchioles et des alvéoles.
L’air et l’eau transportent des particules en suspension susceptibles d'entrer dans l’appareil respiratoire et d'altérer son fonctionnement.
Chez les Téléostéens, l’épithélium des lamelles branchiales et la production de mucus par les mucocytes permettent des bloquer les particules. Chez les Mammifères, les cellules caliciformes de l’épithélium de la cavité nasale produisent du mucus qui purifie l’air en emprisonnant les particules,l'ensemble est ensuite évacué grâce aux mouvements des cils des cellules épithéliales. Ce mucus contient également une enzyme antibactérienne, le lysozyme, assurant une protection efficace contre les infections. Les macrophages alvéolaires dégradent également les antigènes.
Les Téléostéens font face à une différence d’osmolarité entre l’eau et leur milieu intérieur. Par exemple, un Téléostéen vivant en milieu marin évolue dans un milieu extérieur très concentré en ions tandis que son milieu intérieur l’est peu. L’eau a donc tendance à quitter le milieu intérieur et les ions à y entrer. La boisson et le fonctionnement de pompes à ions contribuent au maintien des concentrations ioniques du compartiment interne. Enfin, la structure invaginée des poumons permet de saturer l’air entrant dans l'appareil respiratoire en vapeur d’eau, ce qui limite la déshydratation de l’échangeur.
Les branchies et les poumons bénéficient ainsi d’une protection efficace.