Pôle 1 : approche polysémique de l`air (presque fini)

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AIR, l’EXPO QUI INSPIRE !
Pôle 1 : approche polysémique de l’air (presque fini)
L’air est inodore et incolore, transparent et intangible. Mais l’air ce n’est pas le vide. C’est l’oxygène que l’on
respire, l’atmosphère qui évolue avec le temps qu’il fait, le vent qui emmêle nos cheveux ou encore le gaz à
effet de serre qui impacte le climat. L’air, c’est quoi pour toi ?
Polysémique : tous les sens donnés au mot air
 Représentation : Comment représenter l’air ?
L’air a plusieurs sens, plusieurs histoires, plusieurs légendes. L’air est changeant, imprévisible, partout et
invisible. Les multiples expressions françaises autour de l’air nous aident à nous rendre compte de la polysémie
de l’air. Pour (se) représenter l’air, on se concentre sur ses effets. Son invisibilité titille notre imagination.
 Pourquoi sans air pas de musique ?
L’air n’est pas le vide. C’est un fluide à travers lequel se déplacent plein de chose, à commencer par le son.
En effet, le son est une onde, il a donc besoin d’un support pour se propager. Lorsqu’ un son se produit dans
l’air, il crée un mouvement une vibration des particules de l’air. Ces dernières vont alors “se pousser” les unes
les autres pour étendre l’onde.
Ainsi s’il n’y avait pas d’air, les ondes sonores ne parviendraient pas jusqu’à nos oreilles, on ne pourrait pas
entendre la musique.
 Pourquoi sans air pas d’odeur ?
L’air n’est toujours pas le vide ! Il est composé de gaz mais aussi d’une multitude de particules volatiles qui
flottent et volent dans l’air. Parmi ces particules on trouve les molécules odorantes. Ce sont des molécules
volatiles qui, lorsqu‘elles entrent en contact avec les récepteurs de notre nez, déclenche notre système olfactif.
Sans l’air, ces molécules ne voyageraient pas jusqu’à notre nez, on ne sentirait aucune odeur.

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Pôle 2 : les propriétés physiques de l’air
Pôle 3 : l’air et la vie
L'homme peut vivre quelques jours sans boire et sans manger, mais seulement quelques minutes sans respirer
! L'absorption d'oxygène permet aux êtres vivants de produire de l'énergie, suivant des processus complexes
qui varient selon l'organisme considéré.
 Tous les êtres vivants respirent-ils ?
Oui, ce phénomène est présent chez tous les êtres vivants, bactéries, archéobactéries, plantes et animaux. La
plupart pratiquent la respiration aérobie : ils absorbent de l'oxygène O2 et rejettent du dioxyde de carbone
CO2. Avant de comprendre cela, quel chemin parcouru ! Au IIe siècle, le médecin grec Galien pressentait qu'un
être vivant puisait dans l'air un « principe », qui lui servait à former des composés vitaux. Au XVIe siècle, inspiré
de ses travaux, l'anatomiste bruxellois André Vésale montra que le renouvellement de l'air dans les poumons
était vital. Un siècle plus tard, le physicien Robert Boyle prouva que les animaux placés dans une enceinte à très
basses pressions mouraient. Puis au XVIIIe siècle, Antoine Lavoisier nomma oxygène la fraction « vitale » de
l'air et affirma que les gaz échangés lors de la respiration étaient de l'oxygène et de « l'air fixé » gaz carbonique.
Avec Pierre-Simon Laplace, il réalisa les premières mesures de ces échanges chez des animaux. Leur méthode,
dite de confinement, consistait à placer un petit animal dans une enceinte étanche de volume interne connu et
à analyser l'air en fin d'expérience, afin de déterminer la quantité d'oxygène consommé. Des mesures plus
précises ont ensuite montré que l'air inspiré contient 21 % d'O2 et 0,03 % de CO2, tandis que l'air expiré, chez
les mammifères, contient 16 % d'O2 et 5 % de CO2. La concentration de l'azote 78 % de l'air et des autres gaz
n'est pas modifiée par la respiration. Ces échanges gazeux entre un organisme et son milieu sont appelés
respiration « externe ». L'oxygène ainsi puisé est utilisé comme comburant * par les cellules, au cours des
réactions chimiques qui leur permettent de produire de l'énergie sous forme d'ATP *. Chez les organismes
eucaryotes, cette « respiration cellulaire » se déroule dans les mitochondries.
Lorsque le milieu est pauvre en oxygène, ce mécanisme aérobie de production d'énergie peut, chez certains
organismes, céder la place à une respiration dite anaérobie : c'est la fermentation, mise en œuvre par des
bactéries, des levures, mais aussi les muscles sous-oxygénés. D'autres organismes, enfin, utilisent
exclusivement une respiration anaérobie, la présence d'oxygène pouvant même leur être fatale.
 Tous les animaux ont-ils des poumons ?
Non, ces organes respiratoires, en forme de sacs plus ou moins subdivisés, existent seulement chez les
vertébrés aériens, et chez quelques poissons, les dipneustes. Chez les organismes plus simples, comme les
éponges ou les vers, tous les échanges gazeux se font par la surface du corps, le tégument. Les insectes, eux,
respirent grâce à de petites ouvertures à la surface du corps qui ouvrent sur un système de tubes, les trachées.
Très ramifiées, celles-ci apportent directement l'oxygène aux différents organes. Quant aux poissons à
l'exception des dipneustes, ils respirent par des branchies. Composées de nombreux filaments et de fines
lamelles richement vascularisés, les branchies ne sont pas rigides et ont besoin du soutien de l'eau qui y circule
pour conserver leur forme. C'est pour cela qu'un poisson sorti de l'eau meurt asphyxié : les branchies
s'affaissent, et la surface d'échange gazeux devient insuffisante. Enfin, un dernier mode de respiration est à

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l'œuvre chez bon nombre de vertébrés : la respiration par la peau. Elle peut compléter la respiration par les
branchies chez les poissons sans écailles, tel le turbot, ou venir en complément des poumons chez les vertébrés
aériens. C'est en particulier le cas chez les amphibiens, dont la peau est assez humidifiée et perméable pour
permettre les échanges gazeux. Certaines espèces de salamandres et une espèce de grenouille sont même
dépourvues de poumons et respirent uniquement par la peau. Leur sang s'oxygène en circulant dans les
nombreux vaisseaux capillaires cutanés. Chez l'homme et les autres mammifères, en revanche, ce mode de
respiration est négligeable.
 Comment l'air entre-t-il et sort-il des poumons ?
L'air entre dans l'organisme par le nez ou la bouche, puis il arrive aux poumons par les voies aériennes
supérieures [fig. 1]. Grâce au passage dans ces voies tapissées de cils microscopiques et de mucus, l'air pénètre
dans les poumons réchauffé, humidifié, filtré et purifié. La ventilation des poumons s'effectue en cycles de
deux phases : l'inspiration et l'expiration. Lors de l'inspiration, les poumons se dilatent grâce à la contraction du
diaphragme et des muscles intercostaux externes qui soulèvent les côtes. La pression dans les poumons
devient alors inférieure à la pression atmosphérique, ce qui fait que l'air s'y engouffre. L'expiration, elle,
découle en général du relâchement des muscles. C'est seulement lors d'une expiration forcée que les
intercostaux internes et les abdominaux se contractent, pour chasser davantage d'air.
Plus un poumon est élastique, plus le volume d'air qu'il contient pour une même pression est élevé. Lors d'une
respiration normale, les poumons contiennent 2,5 à 3 litres d'air et 0,5 litre d'air est inspiré, puis expiré à
chaque respiration. Mais lors d'une inspiration forcée, on peut inspirer 1,5 à 3 litres d'air en plus. Inversement,
une expiration forcée permet de chasser 1,5 litre d'air supplémentaire. L'ensemble de ces volumes d'air
échangeables est la capacité vitale, une mesure clinique utile pour diagnostiquer des maladies respiratoires.
Enfin, environ 1 litre d'air reste dans les poumons même après une expiration forcée : c'est le volume résiduel.
 Pourquoi respire-t-on automatiquement ?
Le rythme de la respiration est généré de façon automatique par plusieurs centres nerveux situés à différents
endroits du tronc cérébral. On respire environ douze fois par minute. La contraction du diaphragme et des
muscles intercostaux externes est déclenchée par des influx nerveux provenant du « centre bulbaire », situé
dans le bulbe rachidien. L'expiration a lieu dès que ces muscles ne sont plus excités. Deux autres centres
nerveux ajustent la fréquence et l'amplitude des mouvements respiratoires en fonction des besoins de
l'organisme : les centres pneumotaxique et apneustique. Sans eux, la respiration serait saccadée. Par ailleurs, le
centre bulbaire reçoit, via le nerf vague, des signaux nerveux provenant des poumons et qui l'informent de
l'état d'inflation de ces derniers. Ce mécanisme a été mis en évidence en 1868 : les physiologistes Ewald Hering
et Josef Breuer ont découvert que, si l'on gonflait les poumons d'un lapin vivant en y insufflant de l'air, on
provoquait un réflexe expiratoire, sauf si l'on avait au préalable sectionné le nerf vague. Le réflexe de Hering-
Breuer limite l'étirement excessif des poumons et raccourcit la phase d'inspiration durant un exercice.
Avec tout cela, peut-on oublier inconsciemment de respirer ? Eh bien oui ! Lorsque l'on dort, le rythme de la
respiration est plus lent. Notre organisme est moins sensible à certains signaux chargés d'accélérer le rythme
respiratoire, comme l'augmentation de la pression partielle * en CO2 dans le sang. C'est alors un moment
propice à l'apnée du sommeil. Heureusement, la respiration ne s'arrête qu'une ou deux minutes au maximum.
Mais certaines personnes, qui ont jusqu'à 500 apnées par nuit, risquent d'avoir un mauvais sommeil et une
fatigue chronique.
 Comment l'oxygène arrive-t-il aux cellules ?
L'oxygène est transporté du poumon aux cellules par le sang. Les échanges gazeux entre les poumons et le
sang ont lieu au niveau de petits sacs situés aux extrémités des bronchioles : les alvéoles. Chez l'homme, il y en

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a 300 millions, ce qui représente une superficie d'échange d'environ 80 mètres carrés - soit la superficie d'un
court de tennis. Les alvéoles ont une paroi très mince 0,2 micromètre et sont entourées de capillaires sanguins
dont les parois sont également très minces. L'O2 passe par simple diffusion des alvéoles au sang, grâce aux
différences de pressions partielles pour ce gaz. Le sang oxygéné part vers le cœur par les veines pulmonaires,
avant d'être distribué à tout l'organisme par l'aorte. Le CO2, lui, diffuse en sens inverse, lorsque le sang
appauvri en oxygène et enrichi en CO2 arrive aux poumons par les artères pulmonaires, en provenance du
cœur.
Dans le sang, l'oxygène est, à plus de 99 %, lié à une molécule contenue dans les globules rouges :
l'hémoglobine, un pigment comportant du fer. Chaque molécule d'hémoglobine peut fixer quatre molécules
d'O2 - et chacun de nos quatre à cinq millions de globules rouges par millimètre cube de sang contient 250
millions de molécules d'hémoglobines. Lorsqu'elle est combinée à l'O2, l'hémoglobine est rouge, et lorsqu'elle
perd son oxygène elle est violette couleur du sang veineux. Dans les tissus où la respiration cellulaire est
intense tels les muscles au cours d'un exercice, l'hémoglobine libère l'oxygène. Elle devient alors disponible
pour transporter le CO2 jusqu'aux poumons, bien que ce gaz soit surtout véhiculé par le sang sous forme
dissoute.
L'hémoglobine est le pigment respiratoire le plus représenté dans le monde animal. Mais on trouve aussi un
pigment vert dans l'hémolymphe sorte de sang des vers segmentés les annélides et un pigment bleu dans
l'hémolymphe de certains mollusques et arthropodes. Enfin, les animaux très simples comme les éponges n'ont
pas de sang. L'oxygène parvient à leurs cellules par simple diffusion depuis le milieu extérieur.
 Comment le fœtus respire-t-il dans le ventre de sa mère ?
Le sang du fœtus est oxygéné et débarrassé de son CO2 au niveau du placenta, où sa circulation sanguine est
reliée à celle de sa mère. Il n'utilise pas ses propres poumons. Ceux-ci se développent tout au long de la vie
intra-utérine, et à la naissance, le bébé prend sa première inspiration. Le liquide amniotique est alors éliminé
des poumons, et les alvéoles se dilatent pour permettre les échanges gazeux. Le surfactant, une substance
produite par certaines cellules des poumons, est indispensable à cette dilatation. Mais, chez les grands
prématurés, ces cellules sécrétrices sont trop immatures pour accomplir leur fonction. Le nouveau-né est alors
en détresse respiratoire. La mise au point de surfactant artificiel au début des années 1990, ainsi que l'usage de
la ventilation artificielle ont contribué à accroître les chances de survie.
 Pourquoi dit-on qu'il ne faut pas dormir dans une pièce emplie de plantes vertes ?
Parce que les plantes respirent, et donc absorbent de l'oxygène, de jour comme de nuit. Les tissus jeunes ont
plus de besoins pour leur croissance, leur respiration est donc plus intense. Elle varie aussi beaucoup avec les
conditions extérieures. Par exemple, elle croît exponentiellement avec la température entre 5 °C et environ 25
°C. Cela dit, la quantité d'oxygène absorbée n'est de toute façon pas suffisante pour rendre l'air asphyxiant !
Par ailleurs, le jour, à la lumière, les plantes ne sont pas seulement consommatrices d'oxygène, elles en
émettent également : à partir de CO2, d'eau et d'énergie lumineuse, elles produisent en effet, par
photosynthèse, du glucose, de l'ATP et de l'O2. Les échanges gazeux s'effectuent principalement via de petits
pores répartis à la surface des feuilles, les stomates. Et au final, sur une journée, les plantes absorbent plus de
CO2 qu'elles n'en rejettent, et elles émettent plus d'O2 qu'elles n'en puisent.
 Pourquoi s'essouffle-t-on en altitude ?
Parce que la baisse de la pression atmosphérique en altitude s'accompagne d'une baisse de la pression
partielle en O2 dans l'air. Du coup, lors d'une ascension à 3 000 mètres d'altitude ou plus, la fréquence de la
ventilation augmente pour compenser le manque d'oxygène et maintenir une oxygénation du sang suffisante,