L'appareil circulatoire : un dispositif anatomique distribuant matière et énergie dans l'organisme | ||
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Les Vertébrés prélèvent dans leur environnement la matière et l'énergie nécessaires à leur vie, et y rejettent leurs déchets. Prélèvement et émission sont réalisés par des organes spécialisés, distincts les uns des autres.
Comment matière et énergie sont-elles distribuées et drainées dans l'organisme ?
Comment sont-elles échangées avec les cellules ?
Quelles relations existe-t-il entre la structure et les fonctions des vaisseaux de l'appareil circulatoire ?
Une part importante du métabolisme des Vertébrés est basé sur la respiration cellulaire, voie consommant du dioxygène et produisant du dioxyde de carbone.
L'appareil respiratoire réalise les échanges des gaz respiratoires avec le milieu. Ils consistent en l'absorption de dioxygène, permettant l'approvisionnement des cellules en ce gaz, et le rejet de dioxyde de carbone, assurant l'élimination de ce déchet. Le sang circulant dans les capillaires se charge en dioxygène et se décharge de son dioxyde de carbone au niveau des poumons dans le cas des Vertébrés aériens et des branchies pour les Vertébrés aquatiques, voire du tégument chez les Lissamphibiens.
Les échanges des gaz respiratoires sont réalisés par diffusion simple : un gaz traverse un échangeur depuis le milieu dans lequel sa pression partielle est la plus élevée vers le milieu dans lequel elle est la plus faible, selon le gradient de pression partielle. La faible épaisseur de l'échangeur et sa grande surface favorisent les échanges. Chez les Mammifères, le renouvellement de l'air des alvéoles d'une part, et du sang des capillaires alvéolaires d'autre part, contribue au maintien des gradients de pressions partielles au niveau de l'échangeur, moteur de la diffusion. Le sang hématosé est en permanence évacué en direction des veines pulmonaires, remplacé par du sang non hématosé apporté par les artères pulmonaires.
Dans le sang, une faible fraction des molécules de dioxygène est transportée sous forme dissoute. Elles sont majoritairement associées à l'hémoglobine, transporteur présent dans les globules rouges. Une molécule d'hémoglobine est généralement composée de quatre sous-unités. La fixation d'une molécule de dioxygène sur une sous-unité entraîne une augmentation de l'affinité des autres sous-unités pour le dioxygène (et inversement), il s'agit d'un mécanisme d'allostérie. La capacité de transport du dioxygène par le sang est de cette façon augmentée.
La matière organique, l'eau et les substances minérales sont apportées par l'alimentation.
L'appareil digestif est responsable de l'ingestion des aliments et de leur digestion. Les substances issues de la digestion sont absorbées à travers l'épithélium de l'intestin et transférées aux capillaires sanguins et lymphatiques présents dans le tissu conjonctif sous-épithélial. Les molécules et éléments solubles dans l'eau comme les oses, les acides aminés et certaines substances minérales, gagnent le sang et sont transportés directement en solution. Les molécules peu ou pas solubles dans l'eau sont transportées dans le sang par des protéines spécifiques, comme la transferrine prenant en charge le fer, ou non spécifiques, comme l'albumine assurant le transport de nombreuses substances. Dans les cellules de l'épithélium intestinal, les acides gras sont associés à des apoprotéines et forment des lipoprotéines, les chylomicrons. Ils sont déversés dans les capillaires lymphatiques appelés chylifères puis gagnent le sang au niveau de la veine sous-clavière. Les lipides, peu solubles dans l'eau, circulent ainsi dans le sang.
Le métabolisme cellulaire conduit à la formation de déchets. Ainsi, la dégradation des protéines et des acides nucléiques est à l'origine de déchets azotés, principalement de l'urée, de l'acide urique et de l'ammoniaque, dont les proportions varient selon les espèces. Directement dissous dans le sang ou combinés à des acides aminés, ils sont transportés jusqu'aux appareils excréteurs qui en assurent l'élimination.
La chaleur corporelle correspond à la chaleur produite par les voies métaboliques ajoutée à la chaleur transférée, résultant des échanges de chaleur avec l'environnement, qu'il s'agisse de gains ou de pertes. Les échanges de chaleur avec l'environnement sont réalisés au niveau du tégument par conduction impliquant un fluide, convection effectuée par contact, ou radiation avec rayonnement électromagnétique, selon le gradient thermique. Il est par exemple le siège de la dissipation de la chaleur excédentaire, la chaleur y étant apportée par le sang circulant dans réseau artériel. La capacité à conduire la chaleur, ou conductance, du tégument est liée à son irrigation. Le contrôle du débit sanguin tégumentaire permet de la moduler. La chaleur est distribuée par le sang de l'appareil circulatoire dans tout l'organisme par convection.
L'appareil circulatoire permet le transport de la matière et de l'énergie dans tout l'organisme. Ils sont alors distribués aux cellules par des échanges entre le sang et les tissus.
Le sang hématosé est distribué aux organes par l'artère aorte et ses ramifications. Dans les tissus, le dioxygène diffuse selon son gradient de pression partielle, du sang vers le liquide interstitiel puis les cellules. Le dioxyde de carbone suit le chemin inverse. De même qu'au niveau des organes respiratoires, le renouvellement du sang dans les capillaires permet le maintien des gradients de pressions partielles et la distance de diffusion est faible, en raison de la proximité des capillaires avec les cellules.
Les échanges de nutriments et de substances minérales entre les compartiments sanguin et interstitiel sont également réalisés par diffusion simple. L'entrée de ces substances dans les cellules implique généralement des dispositifs de transfert. Ils sont représentés par des molécules protéiques enchâssées dans la membrane plasmique, et classés en trois catégories :
les canaux forment des pores transmembranaires permettant le transport passif de petites molécules ;
les transporteurs passifs assurant une traversée de la membrane plasmique selon le gradient de concentration ;
les transporteurs actifs transférant les molécules et éléments contre leurs gradients de concentration, et consommant de l'énergie.
Les transferts de déchets sont réalisés principalement par diffusion.
Les échanges de chaleur dans l'organisme animal déterminent la température corporelle. Dans le groupe des Vertébrés, Mammifères et Oiseaux sont homéothermes, capables de maintenir leur température corporelle à une valeur indépendante de celle de la température du milieu. À l'inverse, les Chondrichthyens, Téléostéens, Lissamphibiens et Sauropsidés non avaires sont poïkilothermes, leur température corporelle variant comme celle de leur environnement. Certains produisent de la chaleur, et sont qualifiés d'endothermes, alors que d'autres en sont moins capables, utilisent la chaleur de l'environnement, et sont dits ectothermes. L'appareil cirulatoire permet la distribution de la chaleur dans l'organisme par convection. Les échanges entre le sang et les cellules des tissus est réalisée par convection et conduction.
Les vaisseaux de l'appareil circulatoire répartissent la matière et l'énergie dans l'organisme mais sont aussi le siège d'échanges avec le milieu extérieur ou le milieu interstitiel.
En quoi sont-ils adaptés aux fonctions de distribution et d'échanges ?
Les artères en relation avec le cœur possèdent une média épaisse, comprenant de nombreuses fibres élastiques. Elles confèrent à la paroi de ces vaisseaux une élasticité qui leur permet de résister à la forte pression de l'important volume sanguin propulsé par le ventricule lors de sa contraction, et de régulariser le flux sanguin. En relation avec leur diamètre élevé, la vitesse de circulation du sang dans ces vaisseaux est importante. La distribution du sang dans l'organisme est ainsi rapide. Ces artères sont appelées artères de distribution.
Les ramifications des artères de distribution sont des vaisseaux artériels dont la média comporte de nombreuses fibres musculaires. Leur contraction des provoque une diminution du diamètre du vaisseau et autorise un contrôle du débit sanguin dans les organes. Ces artères sont appelées artères d'irrigation.
Les capillaires irriguent tous les organes comme le pancréas. Leur paroi est fine et réduite à l'intima. Le débit et la vitesse du sang y sont faibles, en relation avec leur diamètre réduit. Les échanges entre le sang et le liquide interstitiel sont ainsi favorisés. Les capillaires sont le site des échanges qu'ils soient localisés au niveau des surfaces d'échange avec le milieu ou dans les organes profonds. Les capillaires fenestrés sont très perméables aux liquides, ils sont présents dans les organes où les échanges sont particulièrement nombreux comme l'intestin grêle, les glandes endocrines et les glomérules rénaux. Les capillaires discontinus sont localisés dans les organes où des échanges de cellules interviennent comme la rate.
L'appareil circulatoire assure la distribution et les échanges de matière et d'énergie dans l'organisme, en relation avec la circulation du liquide qu'il contient.
Comment son fonctionnement est-il intégré à celui de l'organisme ?