Les poumons, des organes d'échange des gaz respiratoires en milieu aérien | ||
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Chez les Mammifères comme la Souris, l'appareil respiratoire comporte des voies respiratoires et des organes respiratoires.
Les voies respiratoires sont constituées des cavités nasales, du pharynx, du larynx, de la trachée, des bronches libres ainsi que des ramifications des bronches et des bronchioles intrapulmonaires.
Les organes respiratoires sont les poumons, situés dans la cage thoracique. Ils contiennent les voies respiratoires intrapulmonaires débouchant sur les sacs alvéolaires qui regroupent les alvéoles, structures d'échange des gaz respiratoires.
Le sang, riche en CO2 et pauvre en O2, est acheminé vers les poumons par des artères pulmonaires. Appauvri en CO2 et enrichi en O2, il est drainé par des veines pulmonaires.
L'échangeur est représenté par les nombreuses alvéoles. Les alvéoles possèdent une paroi très fine constituée d'un épithélium simple pavimenteux formé de cellules appelées pneumocytes, reposant sur une membrane basale et une fine couche de tissu conjonctif fibreux. Elles contiennent de l'air. De nombreux vaisseaux capillaires sanguins courent à leur surface, délimités par un endothélium, épithélium simple et pavimenteux reposant sur une membrane basale.
Les gaz diffusent passivement entre l'air des alvéoles et le sang des vaisseaux sanguins capillaires, à travers leurs épithéliums et membranes basales.
La première loi de Fick décrit la diffusion d'une substance entre deux compartiments. Dans le cas de gaz, elle est formulée comme ci-dessous :
Jx = Kx x ΔPx x S / E
avec
Jx, flux de diffusion du gaz 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 est d'autant plus important que la surface de l'échangeur est élevée et son épaisseur faible. En l'occurrence, l'épaisseur de l'échangeur est de l'ordre de 10 à 20 micromètres.
L'appareil respiratoire des Lissamphibiens comme la Grenouille est formé d'une paire de poumons non lobés situés dans la région corporelle antérieure et directement ouverts sur la cavité buccale.
Ces poumons présentent une cavité centrale. Leur paroi forme des cloisons appelées septums, en direction de cette cavité, délimitant de petits sacs, les favéoles.
L'échangeur des gaz respiratoires correspond à la paroi des favéoles et notamment aux cloisons. Elles sont constituées de deux épithéliums simples et pavimenteux, reposant sur des membranes basales, situés de part et d'autre d'une fine couche de tissu conjonctif fibreux dans laquelle courent de nombreux vaisseaux sanguins capillaires.
Chez les Lissamphibiens, les replis de la paroi pulmonaire sont moins développés que chez les Mammifères, et en conséquence la surface de l'échangeur est plus réduite. L'épaisseur de l'échangeur est de l'ordre de 30 micromètres.
Les Oiseaux possèdent un appareil respiratoire formé de voies aériennes, représentées notamment par la trachée et les bronches, et d'organes respiratoires correspondant à une paire de poumons situés dans la cage thoracique.
Les poumons sont formés de multiples tubes et sont qualifiés de tubulaires.
Dans les poumons, les bronches se ramifient en bronches secondaires dorsales et ventrales. Elles sont reliées par des bronches tertiaires, ou parabronches, parallèles les unes aux autres. Les parabronches portent des chambres appelées atriums, entre lesquels un réseau de capillaires aériens est présent. De nombreux capillaires sanguins les croisent.
La diffusion des gaz respiratoires entre l'air contenu dans les capillaires aériens et le sang circulant dans les capillaires sanguins est importante en raison de la grande surface de l'échangeur, de la proximité des deux types de capillaires et de la faible épaisseur de leurs parois.
Les Gastéropodes pulmonés comme l'Escargot possèdent un appareil respiratoire formé d'un poumon unique, situé en position dorsale sous de la coquille. Son toit est formé d'un repli tégumentaire et son plancher de l'enveloppe de la masse viscérale. Il est ouvert sur le milieu extérieur par un orifice appelé pneumostome.
La cavité pulmonaire est délimitée dorsalement par un épithélium simple pavimenteux soutenu par du tissu conjonctif dans lequel quelques fibres musculaires lisses sont présentes ainsi que de nombreux vaisseaux hémolymphatiques. L'ensemble est surmonté du tégument et de la musculature associée.
Les échanges des gaz respiratoires sont réalisés entre l'air de la cavité pulmonaire et l'hémolymphe des vaisseaux de la paroi pulmonaire. L'échangeur correspond à l'épithélium de la cavité pulmonaire, une fine couche de tissu conjonctif fibreux et la paroi des vaisseaux hémolymphatiques. L'épaisseur de l'échangeur est de l'ordre de 7 micromètres et sa surface augmentée par quelques replis.
Les Araignées possèdent un appareil respiratoire généralement formé d'une paire de poumons. Les poumons sont situés dans l'opisthosome en position ventrale. Ils sont en relation avec le milieu extérieur par un orifice respiratoire appelé stigmate, par l'intermédiaire d'un atrium.
Les poumons des Araignées sont formés de multiples lamelles ou feuillets. Il s'agit de replis du tégument délimités par un épithélium unistratifié et pavimenteux recouvert d'une fine cuticule. L'hémolymphe circule à l'intérieur des lamelles et l'air à l'extérieur. Les gaz respiratoires sont échangés entre l'air et l'hémolymphe, à travers la paroi des lamelles.
La grande surface de l'échangeur, liée aux nombreux replis, et sa faible épaisseur sont des facteurs favorisant les échanges des gaz.
Les poumons apparaissent comme des organes respiratoires diversifiés en termes d'organisation et d'origine. Ils partagent toutefois plusieurs caractéristiques fonctionnelles, notamment l'existence d'une surface vaste au contact de l'air et d'une distance réduite entre le milieu extérieur et le milieu intérieur, facteurs favorisant la diffusion des gaz respiratoires comme l'exprime la loi de Fick.
Ce sont par ailleurs des organes internalisés, ce qui pose un problème de confinement de l'air avec lequel les échanges de gaz sont réalisés.
Comment les gradients de pressions partielles des gaz respiratoires sont-ils maintenus ?