Les surfaces d'échange intégrées à la physiologie | ||
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Les surfaces d'échange des organismes animaux avec le milieu extérieur sont localisées dans des organes généralement spécialisés comme les organes respiratoires pour les échanges gazeux respiratoires, les organes digestifs pour les échanges de substances d'origine alimentaire et les organes excréteurs pour les échanges de déchets.
D'autres surfaces corporelles sont peu impliquées dans les échanges de matière entre l'animal et le milieu extérieur. Ce sont principalement les téguments.
À la différence des surfaces spécialisées dans les échanges, le tégument est un revêtement corporel épais. Chez les Vertébrés il est constitué d'un épithélium pluristratifié, l'épiderme, surmontant un derme conjonctif. Il est parfois recouvert d'une couche cornée et de phanères constituant un pelage chez les Mammifères et un plumage chez les Oiseaux. Chez les Euarthropodes, il est formé d'un épithélium simple et cubique, l'épiderme, recouvert d'une épaisse cuticule. En relation avec leur épaisseur, quelle que soit son origine, les téguments sont peu favorables aux échanges de matière, la distance à traverser étant élevée. Par ailleurs, la couche cornée des Vertébrés est composée de kératine, une protéine hydrophobe, et les poils des Mammifères comme les plumes des Oiseaux sont enduits d'une substance hydrophobe, le sébum. De même la cuticule des Euarthropodes contient des sclérotines, protéines imperméabilisantes, voire des cires hydrophobes. Par sa composition chimique, le tégument est souvent imperméable à l'eau, ce qui permet une limitation des pertes ou des gains.
Par ailleurs, la présence d'un pelage ou d'un plumage permet la rétention d'une couche de fluide extérieur isolante située entre l'épiderme et le milieu extérieur, limitant les échanges de chaleur. Le tissu adipeux associé au tégument joue un rôle similaire. Une coloration claire du tégument réfléchissant les rayonnements réduit également les transferts de chaleur par radiation.
Finalement, l'organisme animal possède des surfaces corporelles spécialisées dans les échanges et d'autres les limitant. Les premières sont caractérisées par une surface importante et une faible épaisseur alors que les secondes sont peu étendues et épaisses. Les fonctionnements de ces surfaces sont coordonnés et sont à la base de l'homéostasie, maintien des paramètres du milieu intérieur à une valeur stable. Ainsi l'équilibre hydrique est-il maintenu en milieu aérien par une limitation des pertes d'eau tégumentaires, urinaires et respiratoires et une absorption d'eau alimentaire. Inversement, en eau douce il dépend de la limitation des gains d'eau tégumentaires, alimentaires et respiratoires associée à une importante évacuation urinaire.
La gestion des échanges de matière et d'énergie est coordonnée entre les différents organes d'échange des organismes, du point de vue spatial.
Il existe cependant des animaux comme les Porifères, dont les surfaces corporelles ne sont pas spécialisées en termes d'échanges de matière. La plupart d'entre eux sont réalisés par chaque cellule individuellement.
Au repos, l'organisme consomme une quantité stable de dioxygène par unité de temps. En activité la quantité de dioxygène consommé peut considérablement augmenter. La sollicitation de la surface d'échange des gaz respiratoires est alors plus importante. Chez les Mammifères au repos le prélèvement de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone dans le milieu sont effectués par une partie seulement de la surface d'échange pulmonaire. Lors d'efforts physiques intenses, la quasi-totalité de cette surface est mobilisée ce qui permet de répondre à une demande en dioxygène beaucoup plus importante. Il en va de même chez les animaux connaissant des périodes de vie ralentie, hivernale ou estivale, voire en conditions de sécheresse.
De manière similaire, la prise alimentaire des animaux est un phénomène discontinu et irrégulier dépendant de la disponibilité des ressources alimentaires dans le milieu. En conséquence l'absorption des molécules d'origine est également discontinue. La longueur importante du tube digestif des Mammifères par rapport à leur taille permet une exploitation progressive des aliments et une régularisation des apports dans le temps.
Finalement, l'intensité des échanges réalisés par les animaux avec leur milieu varie au cours du temps, à des échelles diverses. Elle peut varier à l'échelle d'une journée selon l'activité de l'organisme, d'une semaine voire davantage avec la prise alimentaire, ou d'une année avec le ryhthme des saisons.
À l'échelle de l'organisme, outre les variations spatiales des échanges liées aux caractéristiques des surfaces corporelles, il existe des variations échanges de matière dans le temps.
Les milieux dans lesquels vivent les animaux sont variés en termes de facteurs abiotiques, notamment de climat, de géographie, de nature des sols. Les espèces présentent des adaptations aux caractéristiques de leur milieu de vie, en particulier du point de vue des surfaces d'échange de matière et d'énergie.
La quantité de vapeur d'eau dans l'air d'un milieu sec, tel que le désert, est faible. Les animaux y vivant étant composés d'une importante quantité d'eau liquide, elle tend à s'évaporer au niveau de toutes les surfaces corporelles. Concernant la surface tégumentaire, les Squamates comme les Lézards possèdent un revêtement imperméable en raison de la présence d'une épaisse couche de kératine, protéine hydrophobe, formant des écailles. Les pertes d'eau tégumentaires sont ainsi réduites, de même que les risques de dessiccation. Concernant les échangeurs repiratoires, les Mammifères déserticoles sont capables de réchauffer l'air inspiré et de l'enrichir en vapeur d'eau de sorte que l'évaporation d'eau est limitée au niveau de la barrière alvéolo-capillaire. Inversement, ils refroidissent l'air expiré et l'assèchent, récupérant une part importante de l'eau perdue lors du réchauffement.
Par ailleurs, le groupe des Plathelminthes inclus des animaux menant une vie libre comme les Planaires, et d'autres menant une vie parasitaire comme les Ténias. Les premiers possèdent un appareil digestif comportant une surface d'échange absorbante alors que les seconds en sont dépourvus. Les Ténias se nourrissent des substances dissoutes présentes dans la lumière du tube digestif de leur hôte, dans laquelle ils vivent. Ils pratiquent une prise alimentaire de type osmotrophe. La surface d'échange des substances d'origine alimentaire est alors le tégument.
Ainsi les surfaces d’échange varient également en fonction des contraintes imposées par le milieu et/ou le mode de vie. Ces contraintes expliquent par exemple les réductions ou les augmentations des surfaces des échangeurs au sein d'un même groupe.