L’échangeur et le transfert des gaz respiratoires entre les milieux extérieur et intérieur | ||
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Certains organismes comme les Annélides ne possèdent pas d’appareil respiratoire. Le Lombric est un exemple d'Annélide oligochète souterraine.
Les échanges de gaz respiratoires se font à travers le tégument. Il est formé d’une seule couche de cellules épidermiques et d’une cuticule. C’est un épithélium simple prismatique qui repose sur une membrane basale. Les cellules de l’épiderme produisent du mucus. Il permet de garder la surface du tégument humide. Le tégument est perméable aux gaz respiratoires. Les vaisseaux sanguins de l’appareil circulatoire clos sont situés directement sous l’épiderme. Le dioxygène diffuse passivement à travers l’épiderme et rejoint les vaisseaux sanguins et inversement pour le dioxyde de carbone.
Dans le cas des animaux aquatiques comme les Téléostéens, les échanges gazeux sont réalisés par des branchies.
Portées par des axes branchiaux squelettiques, les branchies sont constituées d'une succession de paires de lames branchiales. Les lames branchiales sont couvertes d'un épithélium pluristratifié cubique ou pavimenteux, soutenu par du tissu conjonctif fibreux dans lequel courent des vaisseaux sanguins et du tissu cartilagineux. Les lames branchiales sont hérissées de lamelles branchiales perpendiculaires à leur surface. Ces lamelles branchiales possèdent un épithélium simple pavimenteux soutenu par des cellules en pilier, entre lesquelles sont situées des lacunes contenant des érythrocytes. Le dioxygène diffuse passivement à travers l’épithélium des lamelles puis rejoint les vaisseaux sanguins et inversement pour le dioxyde de carbone. L'appareil circulatoire est clos
Chez les animaux terrestres comme les Mammifères, les échanges de gaz ont lieu dans les poumons.
Dans les poumons, les voies respiratoires, trachée et bronches, se ramifient en bronchioles ouvertes sur des alvéoles. L’épithélium des alvéoles est simple et pavimenteux, majoritairement formé de pneumocytes I. Il repose sur du tissu conjonctif contenant des capillaires sanguins, l'ensemble constituant la paroi alvéolo-capillaire. L'air entre dans les poumons et le dioxygène qu'il contient diffuse à travers cette paroi jusqu'à la lumière des capillaires sanguins et inversement pour le dioxyde de carbone. L'appareil circulatoire est clos.
L’appareil respiratoire des Insectes est constitué de trachées.
Les trachées sont des tubes délimités par un épithélium simple et recouvert d’une cuticule. Elles se ramifient dans l'organisme, le dernier niveau de division correspond aux trachéoles. Les trachées communiquent avec l’extérieur par les stigmates. Ce sont des orifices des pleurites capables de s’ouvrir ou se fermer. Les gaz respiratoires entrent dans et sortent de l'appareil trachéen par les stigmates. Le dioxygène parvient aux cellules consommatrices acheminé par les trachées et diffuse passivement à travers les trachéoles. Il n’y a pas d’intervention de l’appareil circulatoire dans le transport des gaz respiratoires.
À la lumière des exemples étudiés, il apparaît que les organes respiratoires des animaux ont des structures diverses. Cependant, tous présentent un échangeur de gaz respiratoires constitué d'un épithélium simple. Leurs cellules sont toutefois de formes différentes. Les gaz respiratoires traversent les échangeurs par diffusion passive.
Au niveau de l’échangeur, les gaz respiratoires entrent et sortent de l'organisme. La diffusion permet le passage du dioxygène et du dioxyde de carbone entre les milieux extérieur et intérieur séparés par un épithélium. Cette diffusion est possible du fait de la perméabilité des membranes aux petites molécules gazeuses. Elle ne nécessite ni transporteur ni énergie, elle est passive. Elle suit la loi de Fick.
Dans le cas d’un gaz noté x, son expression est :
Jx = Kx x ΔPx x S / E
avec
Jx, flux en mol.s-1 ;
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 de diffusion varie selon la surface et l’épaisseur de l’échangeur ainsi que la différence de pression partielle de part et d'autre de l'échangeur. La diffusion est d’autant plus efficace que l’échangeur a une grande surface et une faible épaisseur. Ce flux est accru par une augmentation de la surface de l’échangeur, comme la présence de lamelles branchiales dans les branchies ou d'alvéoles dans les poumons. Il est augmenté par la faible épaisseur de l’échangeur, réalisée avec un épithélium simple.
La différence de pression partielle reflète la différence de concentration en gaz de part et d’autre de l’échangeur. Elle résulte de deux processus : le renouvellement du milieu extérieur au contact de l'échangeur par ventilation et du milieu intérieur par la circulation.
Les gaz respiratoires se déplacent suivant un gradient de pression partielle. Ils diffusent du point où la pression partielle est la plus forte vers le point où la pression partielle est la plus faible. Le renouvellement du dioxygène dans le milieu extérieur au contact de l'échangeur des gaz respiratoires se fait par ventilation. Elle est à l'origine des gradients de pressions partielles des gaz respiratoires existant entre les milieux extérieur et intérieur de part et d'autre de la surface d'échanges des gaz respiratoires. Elle assure également son maintien.
La ventilation n’est pas présente chez toutes les espèces, elle est par exemple absente chez le Lombric dont les échanges gazeux respiratoires sont tégumentaires.
Chez les Annélides aquatiques, la ventilation est réalisée par des mouvements ondulatoires du corps. Ils permettent le renouvellement des gaz respiratoires au niveau du tégument, interface respiratoire de l'organisme. Dans le cas des animaux aquatiques, la ventilation est unidirectionnelle. Ce type de ventilation est favorisé car l’eau est un milieu visqueux, dont la mise en mouvement est coûteuse en énergie. Le dioxygène est sous forme dissoute dans l’eau.
Pour les Téléostéens, l’eau entre dans la cavité buccale par la bouche, puis atteint le pharynx. Elle traverse ensuite les fentes branchiales, gagne les cavités branchiales et sort par les ouïes. La fermeture de la bouche et le relèvement du plancher buccal augmentent la pression hydrostatique dans la cavité buccale. En conséquence, l'eau transite de la cavité buccale vers la cavité branchiale dont les opercules s'écartent avant que les ouïes s'ouvrent. Lorsque la bouche est ouverte et que les ouïes se ferment, alors que le plancher buccal s'abaisse et que les opercules s'écartent, l'eau entre dans la cavité buccale.
Dans le cas des Mammifères, la ventilation est bidirectionnelle. Ce type de ventilation est favorisé en milieu aérien, en raison des la faible viscosité de l'air. L'air entre par le nez ou la bouche, puis passe dans la cavité buccopharyngée, dans la trachée, puis les bronches et bronchioles qui l'acheminent jusqu’aux alvéoles. L’inspiration et l'expiration impliquent les mêmes orifices, et se font par contraction et relâchement des muscles intercostaux. Un gradient de pression est généré entre la bouche ou le nez et l’échangeur. Lors de l’inspiration, le volume pulmonaire augmente et la pression diminue dans les alvéoles pulmonaires. Au moment de l’expiration, le volume pulmonaire diminue et la pression augmente dans les alvéoles pulmonaires. L'air inspiré permet de renouveler le dioxygène au niveau de l'échangeur, et d'augmenter la pression partielle de ce gaz dans l'air alvéolaire, alors que l'air expiré permet l'évacuation du dioxyde de carbone, et la diminution de la pression partielle de ce gaz dans l'air alvéolaire.
Dans le cas des Insectes comme le Criquet, la ventilation est bidirectionnelle. L’ouverture des stigmates permet l’entrée et la sortie de l'air des trachées. Elle implique la contraction et le relâchement des muscles abdominaux.