Le système respiratoire et la respiration

Le système respiratoire et la respiration
Les mouvements respiratoires
Activité 1
•
1. La vie dans l’espace et sous l’eau
Document 1 A : La vie sous l’eau
Document 1 B : La vie dans l’espace
1.
Expliquez pourquoi vivre sous l’eau ou dans l’espace pose des problèmes.
2.
Qu’observez-vous sur les deux photographies ?
3.
Combien de temps pourriez-vous tenir si vous gardez la bouche fermée et que vous vous bouchez le nez ?
89
Système respiratoire
•
2. L’enfant respire
Document 2 A : L’enfant inspire
4.
Qu’observez-vous ?
5.
Nommez les mouvements respiratoires ?
•
3. Variation du volume de la cage thoracique
Document 2 B : L’enfant expire
Documents 3 A et 3 B : Radiographies des poumons de l’enfant au cours d’un cycle respiratoire
6.
Dites quels sont les organes intervenant dans les mouvements respiratoires.
90
Système respiratoire
7.
Dites si les mouvements respiratoires sont volontaires. Justifiez votre réponse.
•
4. Les mouvements respiratoires
Document 4 A : Variation du volume thoracique
vue de face
Document 4 B : Les muscles de la respiration
vue de profil
vue de face
Document 4 C : Le rôle du diaphragme dans l’inspiration et
l’expiration
91
Document 4 D : Mouvement des
côtes lors d’un mouvement
respiratoire
Système respiratoire
8.
Qu’observez-vous sur les schémas 4 A ?
9.
Dites ce qu’apporte le document 4 B.
10. Identifiez sur les schémas du document 4 C les organes qui participent aux mouvements respiratoires.
11. Coloriez en bleu les mouvements d’expiration et en rouge les mouvements d’inspiration sur le document 4
C.
12. Les mouvements respiratoires n’ont pas toujours la même amplitude. Justifiez-le.
Conclusion
13. A partir de votre analyse des documents ci-dessus, complétez le tableau suivant en indiquant à chaque fois
ce que font les organes au cours de l’inspiration et au cours de l’expiration :
Organes
Inspirations
Expirations
1. Cage thoracique
2. Muscles intercostaux
3. Sternum
4. Poumons
5. Paroi abdominale
6. Diaphragme
7. Plèvres
14. Déterminez la caractéristique des deux phases d’un mouvement respiratoire. Expliquez le rôle joué par
l’élasticité du tissu pulmonaire à l’inspiration et à l’expiration.
92
Système respiratoire
Les organes respiratoires
Activité 2
•
1. Radiographie pulmonaire
Document 1 : Radiographie d’un poumon droit
1.
Qu’observez-vous sur la radiographie ?
2.
Nommez les structures a et b.
3.
Citez les autres structures indispensables à la respiration et qui ne sont pas visibles sur cette radiographie.
93
Système respiratoire
•
2. Le système respiratoire
Légende :
Appareil respiratoire :
- 1 fosse nasale avec les cornets
nasaux
- 2 pharynx
- 3 poumon droit
- 4 poumon gauche
- 5 plèvres
- 6 larynx
- 7 bronche
- 8 bronchiole
- 9 diaphragme
- 10 trachée artère
Appareil circulatoire :
- 11 cœur
- 12 artère pulmonaire
- 13 veines pulmonaires
Appareil digestif :
- 14 pharynx
- 15 oesophage
- 16 bouche
Document 2 : L’appareil respiratoire humain
94
Système respiratoire
L’appareil respiratoire comprend des organes principaux, les poumons, et les voies d’accès de l’air.
4.
Lisez attentivement la légende du document 2. Placez sur le schéma les numéros correspondant aux noms
des organes légendés puis complétez le reste de la légende à l’aide de vos connaissances.
•
3. Le larynx
5.
Situez le larynx (reportez-vous au document 2).
6.
Donnez le rôle du larynx, et dites ce qu’il contient.
95
Système respiratoire
•
4. La trachée
Document 4 : Schéma d’une portion de la trachée
Légende du schéma : 1 = œsophage ; 2 = cartilage ; 3 = muqueuse (tissu épithélial cilié avec des glandes
glaireuses) ; 4 = fibres musculaires.
7.
Situez la trachée (reportez-vous au document 2).
8.
Mettre la légende au document 4 en vous aidant des mots mis ci-dessus.
9.
Désignez les éléments qui permettent de classer la trachée parmi les organes respiratoires.
10. Quelle conclusion pouvez-vous tirer de l’emplacement et de la structure de la trachée ?
96
Système respiratoire
•
5. L’irrigation des poumons
-
En rouge : les
vaisseaux transportant
le sang oxygéné
-
En bleu : le sang non
hématosé
-
En blanc : les
bronches et les
bronchioles
Document 5 A : L’irrigation des poumons et du cœur
97
Système respiratoire
Document 5 B : Schéma d’alvéoles pulmonaires
La paroi de chacune des alvéoles est formée d’épithélium plat en couche dont l’épaisseur est de 0,4 micromètres.
La surface totale des alvéoles est proche de 100 m2. Ils sont entourés d’un dense réseau de capillaires sanguins
dont la longueur totale est estimée à 2 800 km. La surface de diffusion entre l’air et le sang fait entre 50 et 80 m2.
11. A partir du texte ci-dessus et des documents 5 A et 5 B, indiquez quelles sont les caractéristiques communes
aux échanges pulmonaire et intestinal (voir le chapitre sur la digestion).
12. Indiquez quel est le sens de circulation du sang.
13. Citez les vaisseaux qui apportent le sang aux poumons et ceux qui l’en exportent.
14. Quelles conclusions pouvez-vous tirer ?
Conclusion
15. Déterminez les caractéristiques de l’échange entre l’air et le sang à partir des documents 2 et 5.
16. Faites un schéma fonctionnel illustrant ces échanges.
98
Système respiratoire
La ventilation pulmonaire
Activité 3
Les mouvements respiratoires ont pour effet de renouveler l’air des alvéoles pulmonaires.
•
1. Le rythme des mouvements respiratoires
Age
Rythme des
mouvements
respiratoires
Sexe
à la naissance
à 5 ans
à 12 ans
adulte
femme
Homme
40-50
25
20
16-18
14-18
12-16
Document 1 : Tableau indiquant le rythme respiratoire en fonction de l’âge et du sexe
1.
Dites comment varie le rythme respiratoire.
2.
Recherchez d’autres facteurs faisant varier le rythme respiratoire ?
3.
Calculez le volume d’air entrant dans les poumons d’un adulte toutes les minutes ? (A chaque inspiration, un
demi litre d’air environ pénètre dans les poumons).
4.
Mesurez avec un mètre de couturière le périmètre de votre cage thoracique en fin d’inspiration et en fin
d’expiration. Faites de même après une inspiration forcée et une expiration forcée. Comparez les résultats
avec ceux du document 2 de l’activité 1. Que constatez-vous ?
99
Système respiratoire
•
2. Les volumes respiratoires
Document 2 A : Le spiromètre
Le spiromètre est un instrument de mesure qui permet d’apprécier les volumes d’air mis en jeu dans les
mouvements respiratoires.
5.
A partir du schéma, cherchez à expliquer le fonctionnement du spiromètre.
Document 2 B : Enregistrement des volumes ventilés au cours du temps obtenu avec un spiromètre
6.
Décrivez le mouvement du stylet au cours de l’inspiration puis au cours de l’expiration.
7.
Calculez le volume d’air renouvelé au cours d’un mouvement respiratoire normal.
100
Système respiratoire
8.
Calculez le nombre de mouvements en 1 minute donnée.
•
3. Représentations schématiques des volumes d’air dans les poumons
Document 3 A : Représentation schématique des
volumes respiratoires
9.
Complétez et coloriez le schéma ci-dessous (3 B) en utilisant les données du schéma 3 A.
10. Calculez la capacité vitale des poumons sachant que la capacité vitale est le volume d’air qu’un sujet peut
rejeter de ses poumons à la suite d’une inspiration forcée suivie d’une expiration forcée.
Document 3 B : Schéma simplifié des volumes
pulmonaires
101
Système respiratoire
Conclusion
11. Citez des facteurs qui peuvent modifier la ventilation pulmonaire ?
12. Comment peut-on l’améliorer ?
102
Système respiratoire
Les échanges gazeux au niveau des poumons
Activité 4
Des résultats expérimentaux obtenus chez l’homme, la souris et le ver de terre permettent d’expliquer la
composition de l’air expiré comparée à celle de l’air inspiré.
•
1. Une caractéristique de l’air expiré
Document 1 A : L’enfant inspire l’air (début de
l’expérience)
Document 1 B : L’enfant expire l’air (fin de
l’expérience)
L’air expiré trouble l’eau de chaux.
1.
Observez s’il y a un changement dans les flacons : si oui, dites lequel et où.
2.
Déduisez de vos connaissances sur la composition de l’air et de l’observation du résultat, la composition de
l’air expiré.
103
Système respiratoire
•
2. Mesure des échanges gazeux avec une souris
Document 2 A : Appareil pour la mesure des échanges gazeux
chez un petit animal et son schéma d’interprétation
Document 2 B : Appareil pour la mesure des échanges gazeux
tissulaires et son schéma d’interprétation
3.
Montrez que les organismes (souris et vers de terre) rejettent du CO2.
4.
Expliquez l’utilité du récipient témoin du document 2 B.
5.
Observez l’évolution du liquide coloré dans le tube en U. Interprétez le résultat constaté.
104
Système respiratoire
•
3. Consommation de dioxygène (O2) par différents organes du corps humain
Cœur
Ecorce cérébrale
Rein
Foie
Cerveau
Muscles au repos
Légende :
: consomation de O2
Document 3 : Histogramme montrant la consommation de O2 par différents organes du corps humain
6.
Quelles conclusions pouvez-vous tirer des résultats observés ?
7.
Trouvez une autre forme de représentation de ces résultats ?
•
4. Volumes gazeux échangés
Composition de l’air inspiré et l’air expiré (en pourcentage du volume)
Gaz
Air inspiré
Air expiré
O2
CO2
Vapeur d’eau
Azote
20,79
0,03
0,36
78,82
15,3
4,2
6,2
74,3
Tableau 1 : Composition de l’air inspiré et l’air expiré (en pourcentage du volume)
Document 4 A
8.
Précisez la nature des échanges entre l’air et le sang au niveau des poumons.
105
Système respiratoire
Teneur du sang en O2 et en CO2 (valeurs moyennes en cm3 dans 100 cm3 de sang)
Gaz
A l’arrivée dans les poumons
A la sortie des poumons
O2
CO2
N
150
54-60
2
195
49-50
2
Tableau 2 : Teneur du sang en O2 et en CO2 (valeurs moyennes en cm3 dans 100 cm3 de sang)
Document 4 B
Teneur du sang en gaz : répartition des gaz entre le plasma et les hématies
Gaz
Teneur cm3/ 100
cm3
Plasma (en %)
Hématies (en %)
CO2
Sang hématosé
(sang artériel)
49
CO2
Sang non hématosé
(sang veineux)
54
O2
Sang hématosé
O2
Sang non hématosé
19,5
15
66%
34%
65%
35%
1,5%
98,5%
< 1%
> 99%
Tableau 3 : Teneur du sang en gaz : répartition des gaz entre le plasma et les hématies
Document 4 C
Sang hématosé
Sang non
hématosé
Les états du CO2 dans le sang
CO2 dissous
CO2 combiné
Bicarbonates
Plasma
Hématies
Plasma
Hématies
3,3
2,2
63,1
26,3
3,3
2,4
61,7
25,5
Carbo-HB
(hémoglobine)
5,1
7,1
Tableau 4 : Les états du CO2 dans le sang
Document 4 D
9.
Comparez les données des tableaux 1 et 2 : qu’observez-vous ?
10. Que pouvez-vous dire sur le transport du dioxygène (O2) et du dioxyde de carbone (CO2) par le sang
(tableaux 3 et 4) ?
11. Les gaz respiratoires se trouvent-ils dans le plasma ou dans les hématies (tableaux 3 et 4) ?
12. Sous quelle forme est véhiculé l’O2 ? le CO2 ?
13. Le CO2 est beaucoup plus soluble dans l’H2O que ne l’est l’O2. Expliquez comment cette propriété peut
intervenir pour expliquer les résultats du tableau 3 ?
106
Système respiratoire
•
5. Caractéristique de la fixation de l’O2 par l’hémoglobine des hématies
Quelques gouttes
d’hydrosulfite de sodium
qui fixe l’oxygène en
l’ôtant à l’hémoglobine
O2
Solution
d’hémoglobine à
l’air rouge vif
Document 5 : La fixation réversible du dioxygène (O2) par l’hémoglobine des hématies
14. Qu’observez-vous ?
15. Dites quel est le rôle de l’hémoglobine et comment l’interprétez-vous ?
16. Donnez une explication à la représentation suivante : le sang hématosé en rouge et le sang non hématosé en
bleu dans les schémas de circulation (voir le document 5 B de l’activité 2) ?
107
Système respiratoire
•
6. Les échanges gazeux pulmonaires
Air alvéolaire
(pression partielle supérieure
à celle dans le sang à l’arrivée
aux poumons)
(pression partielle inférieure
à celle dans le sang à l’arrivée
aux poumons)
O2 gazeux
(100 mm de Hg)
CO2 gazeux
(40 mm de Hg)
Paroi alvéolaire
O2 dissous
CO2 dissous
Paroi capillaire
PLASMA
O2 dissous
CO2 dissous
Hémoglobine
O2 dissous
CO2 dissous
enzymes
Oxyhémoglobine (O2)
Hydrogénocarbonate (HCO3)
Carbhémoglobine (CO2)
HEMATIE
Légende :
: diffusion des gaz respiratoires
: diffusion des composés de l’hémoglobine
Document 6 : Schéma fonctionnel des échanges respiratoires
108
Système respiratoire
Conclusion
17. A l’aide du document 6 et de vos connaissances, récapitulez les échanges gazeux au niveau des poumons en
les mettant en relation avec les phénomènes physiques observés.
18. Citez les mécanismes qui favorisent les échanges au niveau des poumons.
19. Donnez les formes de transport des gaz respiratoires au niveau des poumons.
109
Système respiratoire
Les échanges gazeux au niveau des tissus
Activité 5
La prise en charge (ou décharge) des gaz respiratoires par le sang assure une liaison entre les alvéoles
pulmonaires et les cellules de l’organisme.
•
1. La respiration cellulaire
Document 1 : Variante de l’expérience de Paul Bert
Paul Bert démontre de manière expérimentale en 1870 que les tissus isolés de l’organisme échangent des gaz
avec le milieu. L’expérience représentée schématiquement ci-dessus est une variante de celle de Paul Bert.
1.
L’eau de chaux se trouble dans le tube A. Pourquoi ?
2.
Le liquide coloré monte dans le tube à essai A. Pourquoi ?
3.
Quel gaz a disparu dans le tube B. Pourquoi ?
4.
Comparez les changements dans les deux montages et concluez.
110
Système respiratoire
•
2. L’irrigation sanguine des tissus
Document 2 A : L’irrigation sanguine des tissus
(x 1000)
Document 2 B : Schéma des échanges entre les
cellules
5.
Dites comment dans l’organisme les tissus peuvent prélever de l’O2 et rejeter du CO2 lorsqu’ils ne sont pas
en contact avec l’atmosphère.
6.
Retrouvez les milieux traversés successivement par ces deux gaz.
7.
Citez les mécanismes qui favorisent les échanges entre les tissus et le sang.
111
Système respiratoire
•
3.
Les échanges gazeux cellulaires
O2 dissous
Paroi
capillaire
CO2 dissous
Lymphe
interstitielle
O2 dissous
CO2 dissous
Noyau
Consommation de O2
Formation de CO2
Cellule
Légende :
: diffusion des gaz respiratoires
: phénomène chimique
Document 3 : Schéma fonctionnel montrant les échanges gazeux au niveau d’une cellule
8.
Analysez le document 3.
9.
Mettez en relation le document 3 avec le document 6 de l’activité 4.
10. Dites en quoi ces deux documents sont complémentaires.
112
Système respiratoire
•
4. La respiration cellulaire
O2
CO2
H2O
Molécules
riches en
énergie
Respiration
=
Oxydation
Nutriments
Déchets azotés
et autres
Energie cellulaire
Chaleur
Synthèses
Mouvements
Echanges
Légende :
: transfert d’énergie
Document 4 : Schéma fonctionnel montrant le rôle de la respiration dans la cellule
11. Donnez le rôle du O2 absorbé par les poumons et transporté par l’hémoglobine.
12. Lavoisier (1743-1794) assimilait la respiration à une combustion. C’est ce qu’on appelle une oxydation.
Retrouvez dans quel but l’homme utilise habituellement l’oxydation de matières organiques. Citez les
matières organiques utilisées essentiellement ?
13. Donnez l’origine du CO2 et de H2O ainsi que celle du carbone qui entre dans la composition du CO2 ?
14. Dites ce que la respiration permet d’assurer au sein de l’organisme.
113
Système respiratoire
•
5. Bilan sur la respiration
Oxygène
Aliments
Milieu extérieur
Digestion
Intestin
Poumon
Surfaces
d’absorption
Assimilation
Sang
Oxyhémoglobine
des hématies
Nutriments
O2
Oxydation = Respiration
CO2
CO2 dissous,
Hydrogénocarbonates,
Combinaison
CO2-Carbhémoglobine
Déchets azotés
Cellules
Chaleur
(Calories)
Sang
Foie
Urée
Surfaces
d’élimination
Poumon
Rein
CO2
Urine
Peau
Chaleur
Milieu extérieur
Document 5 : Place de la respiration dans le métabolisme de l’organisme
114
Système respiratoire
O
r
g
a
n
i
s
m
e
Conclusion
15. En assemblant le document 6 de l’activité 4 et le document 3 de l’activité 5, faites un schéma fonctionnel du
mécanisme des échanges gazeux dans l’organisme.
16. Observez et commentez la place de la respiration dans le métabolisme de l’organisme.
17. Donner le rôle du sang dans les échanges liés à la respiration. Retrouvez les principaux vaisseaux que le
sang emprunte au cours de ces échanges.
115
Système respiratoire
Mots clés
Mots clés
Alvéole :
cavité en cul-de-sac.
Artériole :
artère de petit diamètre.
Bronche :
ramification de la trachée ou d’une bronche par laquelle la circulation et la diffusion
des gaz peuvent se faire entre les alvéoles pulmonaires et l’air extérieur ; les bronches
de petit diamètre sont dites bronchioles.
Capacité vitale
pulmonaire :
volume d’air d’inspiration et d’expiration maximale.
Hématie :
globule rouge, cellule sanguine en disque biconcave.
Larynx :
partie supérieure de la trachée, débouche dans le pharynx ; Il contient les cordes
vocales.
Mouvements
respiratoires :
mouvements automatiques des poumons qui assurent la ventilation. Ce sont
l’inspiration et l’expiration.
Pharynx :
arrière-gorge, carrefour des voies respiratoire et digestive, et de la cavité buccale.
Trachée
partie des voies respiratoires allant du larynx aux bronches.
Veinule :
veine de petit diamètre.
Résumé de cours
Résumé de
cours
Les échanges gazeux pulmonaires ont pour effet de renouveler l’oxygène (O2) du sang et d’éliminer le
dioxyde de carbone (CO2).
La respiration est le phénomène par lequel les cellules tirent leur énergie de la matière organique.
Le sang apporte aux cellules outre l’oxygène (O2), les matières organiques.
Il les débarrasse de leurs déchets et de la chaleur qu’elles dégagent.
Ces échanges tissulaires se font entre le sang et les cellules par l’intermédiaire de la lymphe interstitielle.
116
Système respiratoire