La respiration, SVT

« r--------------------------,--------------------------,--------------------------,-------------------------,--------------------- --- mer circule aisément sur leurs faces externes et se trouve toujours très près de chacune des cellules corporelles.

!:oxygène dissous dans l'eau possède alors un accès direct à tout leur organisme.

Ce type d'approvisionnement en oxygène, plutôt fruste, est adapté à des animaux simples, mais devient très limitant sur des êtres plus complexes.

Ces derniers doivent donc développer de nouvelles solutions et notamment spécialiser certaines de leurs cellules dans l'échange gazeux.

LES INSECTES Les insectes ont développé des organes qui rappellent un peu le système des plantes.

Leur abdomen est percé de multiples splrncles, de petits orifices latéraux destinés au passage des gaz.

A partir des spiracles, s'étend un réseau de tubes de plus en plus fins, les trachées, qui se ramifient dans tout le corps de l'animal.

Les trachées peuvent être si fines que dans les tissus les plus actifs, comme ceux liés au vol, aucune mitochondrie ne se trouve à plus de quelques microns d'un capillaire aérien : c'est une vraie performance quand on pense qu'une cellule moyenne a une taille d'environ 10 microns! US vtiiTÉBRtS Ce sont les vertébrés qui ont développé la solution la plus complexe : ils sont dotés d'un organe à part entière, spécialisé dans la captation de l'oxygène du milieu ambiant et couplé à un système de circulation sanguine pour acheminer cet oxygène dans les cellules.

Il y a donc deux diffusions successives, l'une du milieu vers les globules rouges du sang, l'autre des globules rouges vers les cellules des organes irrigués.

Si le sang ne contenait pas de globules rouges, il serait très peu efficace pour le transport gazeux, car les gaz ne diffusent que très faiblement dans les liquides.

Mais les globules rouges contiennent de l'hémoglobine, un assemblage protéique renfermant quatre atomes de fer, avec lesquels l'oxygène a une grande affinité.

Une molécule d'hémoglobine peut donc fixer jusqu'à quatre molécules d'oxygène et les entraîner ainsi dans la circulation sanguine.

Dès que l'oxygène se fait rare aux alentours du vaisseau sanguin, les molécules d'oxygène capturées dans les globules s'en échappent en se désolidarisant de l'hémoglobine.

Afin de recharger les globules rouges en oxygène, les organes d'échanges gazeux doivent être des structures qui maximisent la surface de contact entre l'extérieur et le réseau sanguin.

Les branchies, dans le cas des poissons, ou les poumons, dans celui des mammifères et des oiseaux, sont le résultat d'une pression évolutive qui tendait à rendre la plus efficace possible la diffusion entre le milieu ambiant et la circulation sanguine.

Ainsi, les brnnchies des poissons sont une succession de feuillets très minces, eux-mêmes divisés en fines lamelles, qui forment une sorte de filtre.

Dans chacune de ces petites lamelles passe un capillaire sanguin, ce qui donne aux branchies leur couleur rougeoyante.

Cette division extrême fait que les branchies présentent, par rapport au volume occupé, une surface d'échange considérable pour le courant d'eau qui entre par la bouche du poisson et ressort par ses ouïes.

De plus, les capillaires sanguins sont orientés de manière à ce que le sang se déplace en sens contraire du courant d'eau.

Cette dernière astuce adaptative optimise le transfert d'oxygène au point que l'eau rejetée n'en contient quasiment plus.

Les mammifères, eux, ont développé un système pulmonnire assimilable à des sacs qui se gonflent pour aspirer de l'air frais et se dégonflent pour rejeter l'air usagé.

La trachée artère, qui part du fond de la gorge, se subdivise en de très nombreux embranchements qui eux-mêmes se terminent par de petits saccules en forme de grappe de raisin, les alvéoles pulmonaires.

Leur paroi est parcourue de capillaires sanguins qui, se trouvant ainsi au plus près de l'air frais, peuvent rejeter leur dioxyde de carbone et réabsorber de l'oxygène.

Mais ce mode d'approvisionnement en oxygène est assez inefficace.

Malgré la très grande surface alvéolaire, le fait d'inspirer et d'expirer réduit le temps pendant lequel de l'air suffisamment oxygéné est en contact avec les alvéoles.

En plus, l'air que l'on rejette contient encore un grand pourcentage d'oxygène.

En effet, comme il n'y a pas de phénomène de circulation du milieu oxygéné, comme pour les poissons, la concentration maximale d'oxygène dans les capillaires ne peut pas être supérieure à celle de l'air resté dans les poumons.

Enfin, lorsque l'on respire, l'amplitude du mouvement du diaphragme, le muscle qui gonfle et affaisse la cage thoracique, reste relativement faible.

Seule une faible partie du volume d'air inspiré est éliminée pour être remplacée par de l'air frais.

Notre physiologie étant habituée à cette alimentation sous­ optimale, elle peut donc être facilement amplifiée par une simple modification de l'amplitude de la respiration en cas d'effort par exemple.

Enfin, les oiseaux, bien que dotés de poumons, ont un système beaucoup plus performant que celui des mammifères.

Les leurs ne forment pas un sac mais une sorte de filtre spongieux qui se trouve en communication avec plusieurs sacs à air cloisonnés.

Ainsi, ce système complexe permet à l'oiseau, sur deux inspirations/expirations et en remplissant et vidant successivement ses différents sacs à air, de faire courir un flux continu d'air dans tout son système respiratoire.

En faisant une boucle complète par tous les sacs à air, l'air inspiré passe en milieu de cycle par les poumons qui en captent alors tout l'oxygène.

En effeL comme les poumons des oiseaux ont une arrivée d'air différente de la sortie, contrairement aux mammifères, l'air entrant peut perdre progressivement tout son oxygène au passage.

!:efficacité de ce procédé est issue de la pression sélective : elle est vitale à l'oiseau étant donné sa consommation énergétique liée au vol et la raréfaction de l'air en altitude Ousqu'à deux fois moins d'oxygène).

LA RESPIRATION DANS l'ÉVOLUTION DES ESPÈCES LA SORTIE DES EAUX Lors de l'évolution des espèces, la vie qui est née dans les eaux s'est progressivement complexifiée.

Des premiers procaryotes sont issus les eucaryotes, d'abord unicellulaires puis pluricellulaires.

Les animaux se sont différenciés des plantes et les premiers poissons sont apparus.

A chaque fois, ces animaux perfectionnaient leurs caractéristiques et de ce fait la respiration représentait un enjeu de taille pour être apte à coloniser de nouveaux milieux oû les ressources en oxygène pouvaient changer de forme ou être moins accessibles.

!:étape marquante de ce point de vue, est la sortie des eaux et l'installation sur terre, puisque des systèmes capables de capter l'oxygène dans l'eau, il fallait passer à des systèmes capables de l'extraire de l'air.

LE CAS DES MOUUSQUES La majorité des mollusques, aujourd'hui encore, sont aquatiques et respirent par l'intermédiaire de / t�l' 1 ( .

-':; branchies.

Contrairement aux poissons, ces branchies sont la plupart du temps externes : elles s'étendent en de grondes rnmfflctdions filiformes et flottent dans un grand volume d'eau.

Mais certains gastéropodes, la famille des limaces et de très nombreux escargots marins et terrestres, ont développé un autre système pour pouvoir vivre à l'air libre.

En effeL pour coloniser la terre, les escargots ne pouvaient plus utiliser le système originel de branchies car elles ont besoin de baigner dans un liquide pour se déployer convenablement et remplir leur fonction.

Ainsi, lors de l'évolution, les branchies des escargots et limaces se sont progressivement atrophiées et ont laissé place à un conduit qui se termine en une poche intérieure : c'est elle qui leur sert de pseudo-poumon.

LE CAS DES VERTtiRtS Un phénomène différent de celui que les mollusques ont subi a permis aux vertébrés de franchir la même étape.

Les hasards de la génétique ont fait que l'estomac des vertébrés, alors des poissons primitifs, avait tendance à se creuser d'une poche supplémentaire, au début sans fonction.

Ainsi s'est progressivement constitué un organe à part entière, en parallèle de l'estomac, et n'ayant pas de fonction véritable.

Comme cette nouveauté a accompagné d'autres bouleversements, tels que le développement des nageoires de certaines espèces en pseudo-membres, l'arbre de l'évolution a brusquement fourché.

D'un côté sont apparus les poissons modernes, chez qui la poche supplémentaire est devenue la vessie natatoire, un organe qui régule la flottabilité du poisson en se remplissant plus ou moins d'eau.

Et de l'autre côté, sont apparus les premiers amphibiens, qui pouvaient se déplacer sur terre grâce à leurs pattes et dont la poche supplémentaire, en se plissant et en se couvrant de capillaires sanguins, a formé les premiers poumons.

A partir de là, certaines formes animales se sont très bien conservées et les grenouilles, les salamandres et les tritons sont là pour témoigner que les adaptations permettant de basculer du milieu aquatique au milieu terrestre sont efficaces dans nombre d'écosystèmes.

D'ailleurs, leur développement, de l'œuf à l'adulte, retrace le film de l'histoire.

En effet, les amphibiens naissent dans l'eau, s'y développent sous leur forme embryonnaire, pendant laquelle ils respirent avec des branchies puis, quand leurs poumons se sont développés, quittent l'eau pour les berges.

Le cas de la néoténie, c'est­ à-dire la conservation des caractères larvaires à l'état adulte, constitue une exception à ce scénario : l'oxoloU (une espèce de salamandre) conserve ses branchies externes à l'état adulte.

LE CAS PARTICULIER DES BAUINES !:exemple des baleines illustre le phénomène inverse des débuts de l'évolution :ce sont des mammifères, originellement adaptés à la vie terrestre qui se sont progressivement transformés pour s'adapter à la vie marine.

Cependant, elles ont conservé leurs poumons et doivent donc respirer à l'nir libre, c'est pourquoi elles remontent périodiquement à la surface avant de replonger en profondeur.

Mais ces aller­ retours sont handicapants, en termes d'efficacité dans la recherche de nourriture ou de vulnérabilité vis-à-vis de prédateurs.

C'est notamment lors de leur remontée en surface que les baleiniers les harponnent et que d'autres prédateurs peuvent les attaquer.

Les baleines ont donc adapté le système respiratoi re des mammifères pour augmenter leur capacité d'apnée et la vitesse de reprise d'air.

Quand elles soufflent le contenu de leurs poumons, elles le font avec une telle pression qu'il ne leur faut qu'une à deux secondes pour évacuer une moyenne de deux m ille litres d'air ! C'est en se condensant dans l'air froid sous l'effet de la chute de pression, que leur expiration chargée de vapeur d'eau prend la forme d'un haut panache qui retombe en jet d'eau.

Pour augmenter leur aptitude à l'apnée, les baleines n'ont pas vu leurs poumons augmenter de volume en prop01tion du reste de leurs corps.

Bien au contraire ! Si l'on ramenait leur taille à l'échelle, elles auraient une capacité pulmonaire en fait bien inférieure à celle de l'homme par exemple.

En effet, comparés aux trente trois mètres du grand rorqual bleu, le plus gros mammifère vivanL ses poumons sont très petits.

Chacun d'eux rentrerait dans une boîte cubique d'un peu plus d'un mètre de côté seulement ! Cette petite taille s'explique par les pressions terribles que leur organisme doit supporter lors de leurs plongées en grande profondeur.

Le rorqual descend jusqu'à- 350 mètres et des cnchnlots ont battu des records à plus de 900 mètres ! Or tous les 100 mètres sous l'eau, l'organisme doit supporter une pression égale à dix fois la pression atmosphérique et, en premier lieu, la cage thoracique ne doit pas s'effondrer sur elle-même.

En emportant un faible volume d'air, les baleines se mettent donc à l'abri du danger d'étouffement.

Mais alors comment peuvent-elles tenir quarante minutes.

ou même jusqu'à plus d'une heure pour les cacha lots, sans respirer? C'est qu'en fait, les réserves d'air ne sont pas contenues uniquement dans les poumons.

Chez l'homme, les poumons ne contiennent que 34% des réserves d'oxygène, 41 %étant fixées par l'hémoglobine des globules rouges, 13 %stockées dans les muscles et les 12% restants dans les autres tissus.

Chez les gros cétacés, la réserve pulmonaire n'est que de 9 %, mais, par contre, elle est de 41 % dans les muscles, en plus des 41 %du sang et des 9 % dans les autres tissus.

Les muscles peuvent stocker de l'oxygène car ils contiennent de la myoglobine.

La myoglobine est un analogue de l'hémoglobine : elle peut aussi fixer l'oxygène et donne ainsi sa couleur rouge vif au jus de viande.

Les muscles des cétacés contiennent un très gros pourcentage de myoglobine, afin de retenir l'oxygène là oû il est le plus nécessaire, et possèdent une physiologie qui les rend très tolérants à la raréfaction en oxygène.

Ces différentes caractéristiques physiologiques font des cétacés les champions de plongée toute catégorie.. »