la respiration

LA RESPIRATION
ANALYSE FONCTIONNELLE DE L'APPAREIL RESPIRATOIRE
Éléments de physiologie comparée.
POSITION DU PROBLEME
Analyse fonctionnelle : analyse d’un système biologique et de sa capacité à répondre à certaines contraintes du
milieu
Fonction biologique : ensemble des propriétés actives contribuant à la capacité de répondre à un problème posé
par le milieu, chez un être vivant.
Fonction respiratoire : réponse au problème de l’oxygène et du dioxyde de carbone
le problème de l’oxygène (et du dioxyde de carbone) Pourquoi l’oxygène est-il important pour les animaux ?
Production d’énergie par la cellule : respiration cellulaire (mitochondrie)
Respiration cellulaire :
Consommation d’oxygène et production de CO2
C6H1206 + 6O2  6C02 + 6H2O + Chaleur + Energie (2870 J)
Quel problème pose l’oxygène ?
Apport d’oxygène au niveau des cellules suffisant pour permettre la production d’énergie nécessaire à la couverture
des besoins
Quel problème pose de dioxyde de carbone ?
Élimination par l’organisme du CO2 produit par la respiration cellulaire
 La nécessité d'un appareil respiratoire
Question : qu'elle est la taille maximum d'un organisme dont l'apport en O 2 se fait uniquement par diffusion?
Les organismes qui vivent dans l'eau ne présentent pas de système respiratoire particulier. Parce que ces bestioles
ne sont constituées que d'une seule couche de cellule, ils ne sont séparés du milieu extérieur que par une membrane
plasmique. On se retrouve avec une PO2 de 150mmHg à la surface de l'eau. Par contre dans la bestiole on a les
cycles métaboliques, de Krebs par exemple qui tourne continuellement, on est donc toujours en manque d'O 2, on a
donc un gradient de pression partielle qui va de l'extérieur à l'intérieur et inversement pour le CO2.
La loi de Fick dépend de la perméabilité de la membrane et du gradient de pression. Plus ΔPO2 augmente, plus le
débit augmente.
Il y a une limite qui est imposée par la taille de l'organisme. Elle est donnée par l'équation de Newton Harvey :
FO2 = (ṼO2 * r²)/6K
FO2:pression partielle en oxygène; r: rayon d’un organisme sphérique; ṼO2: taux de consommation d’O2; K:coefficient
de diffusion de l’oxygène
Ça veut dire que ce débit, qui est une limite, va dépendre de la quantité d'O2 à l'extérieur. Il y a un moment ou si on
augmente la taille de la bestiole il n'y aura plus assez d'O 2. Ça dépend aussi du rapport ΔV/Δe = D * ΔPO2. C'est le
même cas à l'intérieur de la bestiole que dans la mer en général : à la surface la PO 2 est égale à celle de
l'atmosphère, plus on s'enfonce dans les abysses plus cette PO2 diminue.
 Lorsque le rayon de l’animal dépasse quelques millimètres, la simple diffusion de l’O2 ne suffit pas à assurer un
apport d’O2 couvrant les besoins métaboliques
Limite physique qui bloque l'évolution des organismes.  Il y a donc apparition de systèmes de déviation.
Chez les diploblastiques, on a des dérivations qui permettent de contrer cette limite de taille, exemple de la méduse
qui peut avoir une très grande taille. Ceci est possible car la méduse n'est pas sphérique, mais elle est faite de replis.
Donc chaque cellule est en contact avec le milieu extérieur. C'est un système très efficace, car on découvre de plus
en plus de méduses (surtout du à la pollution).
 Apparition de la physiologie
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L’AIR ET L’EAU
Caractéristiques de l’air et de l’eau en relation avec la respiration
Les contraintes sont-elles les mêmes pour la respiration aquatique et la respiration aérienne?
D'après le tableau le milieu le plus favorable à la respiration est l'air car il y a plus d'oxygène et il diffuse mieux et il
est énergiquement plus coûteux de mobiliser une quantité donnée d’oxygène dans l’eau que dans l’air.
Cependant la vie est apparue dans l'eau. Ceci est du au fait que le gros désavantage de l'air est la déshydratation.
Interdépendance des fonctions physiologiques
L’APPAREIL RESPIRATOIRE
Le concombre de mer possède un poumon avec une respiration unidirectionnelle (peut être bi … pas sur)
Quelles sont les caractéristiques que doit avoir un appareil respiratoire pour répondre aux contraintes liées à la
respiration ?
 assurer les échanges gazeux (O2 et CO2 entre le milieu extérieur et l’animal)
 interface milieu-animal
 assurer le renouvellement du milieu au niveau de la surface d’échange
 pompe : ventilation
 assurer le transport des gaz dans l’organisme
 circulation
 assurer la libération et la captation d’O2 et de CO2
 pigments
 moduler les échanges en fonction des besoins
 régulation physiologique : ajustement et adaptation
L’INTERFACE ORGANISME-MILIEU
LOI DE DIFFUSION D’UN GAZ ENTRE DEUX COMPARTIMENTS
Loi de Fick
(Exprimée par rapport à la différence de pression partielle du gaz entre deux compartiments 1 et 2) :
dV/dt = (S/E) x D(P1–P2)
UNE SURFACE D’ECHANG E IMPORTANTE ET UNE EPAISSEUR FAIBLE
Contrainte fonctionnelle, quelle que soit la structure
Ex : respiration cutanée
Telmatobius culeus grenouille du lac Titicaca: respiration aquatique cutanée en altitude
Amphibiens : respiration pulmonaire et/ou cutanée; variable selon les espèces et variable selon les saisons. Différent
pour CO2 et O2
Interface : invaginée ou évaginée ?
Invaginée : poumons. Evite la déshydratation; résistance à l’écoulement  respiration aérienne; flux bidirectionnel
Évaginée : branchies. Peu de résistance à l’écoulement  respiration aquatique; flux unidirectionnel
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Une surface d’échange importante :
Valeurs extrêmes :
Colibri et Hirondelle africaine : 87 cm2/g;
Chauve-souris Epomophorus wahlbergi : 138
cm2/g
SER : surface d’échange respiratoire; SER/Vp : SER / volume pulmonaire
 Barrière de diffusion mince (< 1 μm)
Valeurs extrêmes : hirondelle africaine : 0,090 μm
Chauve-souris Phyllostomus hastatus : 0, 120 μm
 Rapport surface/volume
Variable (à mettre en rapport avec le rapport Vp/ poids) important
Cloisonnement du poumon
UN POUMON CLOISONNE
Épaisseur faible & grande surface d’échange : optimums incompatibles
Maintien de l’intégrité morphologique de la structure (+ possibilité de changement réversible de volume)
 contraintes du milieu + limites structurales  compromis fonctionnel
Rigidité du poumon : collagène
Élasticité du poumon : élastine
Ex de l'éléphant, pour résister à l'écrasement du poumon, il a fait des piliers (travées conjonctives) dans les
poumons.
Ex du pingouin qui doit avoir des poumons résistants pour pouvoir plonger profondément : épaississement de la
barrière de filtration.
On trouve 4 grands types de poumons.
 A. : Le poumon forme un sac qui est constitué d'une paroi qui forme des petits replis. Permet d'avoir une
certaine solidité et permet d'avoir une certaine déformation. On trouve ça chez les reptiles
 B: Poumon pluricavitaire
 C: chez les mammifères : poumon bronchoalvéolaire
 D : chez les oiseaux : unidirectionnel.
LA VENTILATION
LA NECESSITE D’UNE POMPE VENTILATOIRE
Renouvellement de l’oxygène au niveau de la surface d’échange
 diffusion (mouvement aléatoire des molécules ; passif)
 ventilation (flux directionnel ; actif)
Les poumons à diffusion existe pour les organismes qui n'ont pas une pompe associé, réservé à des animaux dont le
métabolisme est faible : ex. escargot et scorpion. Diffusion entre extérieur et intérieur du poumon, pas très efficace
mais suffisant chez ces organismes.
Poumons à ventilation :
 pompe refoulante : chez certains poissons : parce que certains poissons ont des poumons : ex. Du dipneuste
qui une partie de sa vie dans la boue  respiration aérienne. Chez amphibiens et certains reptiles
 pompe aspirante: la plupart des Reptiles, les Oiseaux et Mammifères
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La pompe refoulante c'est le système hypo. Chez ces animaux il n'y a pas de système musculaire pour assurer cette
respiration. L'animal capte l'air dans la bouche et ensuite ferme la bouche et envoie l'air dans les poumons en
comprimant les joues ( compression au niveau de la bouche). Ensuite le système se relâche.
 Pression positive dans le poumon
Pompe aspirante : aspire l’air dans le poumon pression négative dans le poumon
Ex. pompe refoulante des poissons.
pompe refoulante : cavité buccale
Même principe chez les Amphibiens
et quelques Reptiles
pompe aspirante: muscles de la paroi thoraco-abdominale; alternance de dépression (inspiration) et de surpression
(expiration) dans le poumon
Pompe aspirante chez la tortue. Système similaire à celui de l'homme. Système de contraction / décontraction de
muscles.
COMPARAISON DES POMPES ASPIRANTES ET REFOULANTES
On remarque qu'au niveau de la pompe refoulante la Pression pulmonaire est toujours plus élevée que la pression
atmosphérique. Donc système très couteux en énergie.
Chez la pompe aspirante la Pression alvéolaire s'équilibre autour de la Pression atmosphérique.
Pompe refoulante : poumon en surpression; coût énergétique important
Pompe aspirante : inspiration en dépression; coût énergétique faible
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POMPES ET VENTILATION PULMONAIRE
Tous les poumons : la pompe est bidirectionnelle
Chez les oiseaux elle est unidirectionnelle. Le poumon des oiseaux est constitué en série.
Chez le poisson.  Branchies. Une surface d'échange avec des optimums contraires. Pas de pompe et flux
unidirectionnel. Chez un grand nombre d'arthropodes aquatique on retrouve ce système.
NOTION DE RESISTANCE DES VOIES AERIENNES
Cause des résistances :
Diamètre de débit : plus le diamètre est faible, plus les résistances sont importantes et le débit faible
Types d’écoulement : laminaire ou turbulent
FONCTION RESPIRATOIRE DE LA CIRCULATION
NECESSITE D'UN SYSTEME CIRCULATOIRE.




Distribution de l’O2 des surfaces d’échanges respiratoires vers les tissus
transport du CO2 des tissus vers les surfaces d’échanges respiratoires
vrai même en absence de poumon (ex : Amphibiens à respiration cutanée)
inutile chez les Insectes (système trachéal : « capillaires » respiratoires)
Circulation pulmonaire : captation de l’O2 / libération de CO2 dans le poumon
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Circulation systémique : libération d’O2 / captation de CO2 dans les tissus
Chez la sauterelle et le criquet il y a une bande molle sur les coté qui fait la soudure entre les plaques dorsales et
ventrales. Et sur chaque métamère on a des stigmates (ce sont les "narines" de la bestiole ( ne pas dire sa dans
les exams !!!!)) donc qui font entrer l'air.
ORGANISATION DU SYST EME CIRCULATOIRE
c'est pareil le cœur, le machin, le truc…
Mammifères, Oiseaux, Crocodiliens : en série
Autres Vertébrés (+ foetus) : en série/en parallèle
LE TRANSPORT DES GAZ DANS LE SANG
Principe de dissolution des gaz
Les pressions partielles en gaz (Pgaz) s’équilibrent entre les compartiments aérien et liquidien la
concentration de gaz dissous dépend de Pgaz dans le liquide et de la solubilité du gaz (solgaz)
Loi de Henry : Cgaz = Solgaz x Pgaz
Dioxyde de carbone : très soluble dans l’eau
Oxygène : très peu soluble dans l’eau
 La quantité d’O2 dissoute dans le sang est faible ; elle dépend linéairement de la PO2
Pigments respiratoires : molécules capables de fixer de manière réversible l’O 2
Pour une même pression partielle : la concentration en O2 augmente
(Concentration en O2 dissous + concentration en O2 lié)
REPARTITION PHYLOGENETIQUE DES PIGMENTS RESPIRATOIRES
Hémoglobine : utilise le fer pour capter l'oxygène, c'est pour sa que c'est rouge. Chez les 3 derniers (hémérythrine,
chlorocruorine, hémocyanine) c'est le cuivre qui fixe l'O2. Ces pigments servent d' "éponge".
Ubiquitaire
Répartition : ne suit pas les parentés phylétiques
Présents :
 en solution dans le plasma
 dans des cellules spécialisées : érythrocytes
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PROPRIETES DE L’HEMOGLOBINE : LA COURBE DE DISSOCIATION DE L’O 2
Pouvoir oxyphérique = capacité de fixation de l’O2
La quantité d’O2 fixée à l’hémoglobine dépend de manière non linéaire de la PO2.
captation et relarguage : compromis fonctionnel.
NECESSITE DE REGULATION
Nécessité fonctionnelle du système : l’apport en O2 au niveau des cellules nécessite le maintien constant de certains
paramètres : PO2 ; PCO2 ...
Modification des apports :
Milieu aquatique : variation de la concentration en O2 : source variable
Milieu aérien : proportion d’O2 dans l’air constante (~ 21 %) : source constante
Modification des besoins :
Variations de la consommation en O2 (effort physique...)
 Nécessité d’ajustement
Variables régulées :
Maintenue fixe
Variables réglantes :
Effecteurs dont la modification maintient les valeurs des variables régulées
PRINCIPE DE REGULATION
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