Les échanges gazeux Évolution

Les quatre principaux modes de respiration sont: Surface respiratoire Les cellules ont besoin d’absorber de l’O2 et de rejeter du CO2. Les échanges gazeux se font par diffusion à partir de l’air ou de l’eau (organismes aquatiques). Chez les pluricellulaires, les échanges se font à partir d ’une membrane spécialisée (poumons, branchies, peau). Les quatre principaux modes de respiration sont: La respiration cutanée Les branchies Les trachées Les poumons

O2 CO2 Respiration cutanée Surface respiratoire = peau de l’animal Organismes aquatiques ou terrestres. La peau doit demeurer humide; si elle sèche, elle devient imperméable aux gaz. L’animal doit donc vivre en milieu aquatique ou à tout le moins humide. N.B. Les Amphibiens respirent aussi avec des poumons. Ex. Cnidaires, Vers, Amphibiens

Chez les Vers, les échanges gazeux se produisent par diffusion à travers l’épiderme.

La respiration cutanée limite l’accroissement en taille de l’animal. Les besoins en oxygène sont proportionnels au nombre de cellules, donc au VOLUME de l’animal. L’absorption de l’oxygène (les échanges respiratoires) est proportionnelle à la surface de la peau (puisque la respiration est cutanée). OR si on augmente la taille d’un animal, le volume augmente au cube et la surface au carré. DONC, le volume (besoins en O2) augmente beaucoup plus vite que la surface de la peau. Le changement du rapport surface / volume limite l’accroissement de la taille si l’animal respire par la peau.

Le rapport surface / volume diminue si on augmente la taille. Ex. Un cube de 1 m de côté: Surface = 6 m2 Volume = 1 m3 Rapport surface / volume = 6 On augmente la taille du cube à 5 m de côté : Surface = 150 m2 Volume = 125 m3 Rapport surface / volume = 1,2 donc 5 fois moins que pour le cube de 1 m de côté.

Branchies : adaptation au milieu aquatique Les branchies sont particulièrement bien adaptées à la vie aquatique: Il s’agit d’une peau mince, très vascularisée (d’où sa couleur rouge) et très plissée (ce qui augmente la surface). N.B. : C’est l’oxygène (O2) dissous dans l’eau qui est absorbé (pas le O de H2O) ! Observation de branchies ->LIEN

Fentes branchiales sur le côté de la tête Chez certains poissons comme les requins, il n’y a pas d’opercules. Les branchies sont à l’intérieur de fentes sur le côté de la tête. Ce sont les déplacement de l’animal qui lui permettent de faire circuler l’eau entre ses branchies. La plupart des requins doivent donc nager sans arrêt afin de pouvoir respirer.

Branchies externes Manque de protection Résistance au déplacement dans l ’eau Branchies internes Besoin d’un système pour faire circuler l’eau. Opercule (protège les branchies)

Les insectes ont développé un tout autre système respiratoire,adapté su milieu terrestre: système de trachées Corps parcouru de tubes remplis d’air, les trachées, qui se divisent en trachéoles contenant un liquide.

Les trachées s’ouvrent sur l’extérieur par de petites ouvertures, les stigmates. La trachée se divise en trachéoles de plus en plus fines qui parcourent tout le corps. Les gaz respiratoires se dissolvent dans le liquide qui remplit les trachéoles les plus fines.

Trachées Sac aérien Stigmates -> LIEN Par endroits, les trachées communiquent avec des sacs remplis d’air à l’intérieur du corps (les sacs aériens). Ces sacs allègent le corps et permettent de stocker de l’air (on les retrouve surtout dans le voisinage des muscles).

Les poumons, adaptation au milieu terrestre : Adaptation à la vie terrestre (hors de l’eau) Il y a de gros avantages à s’approvisionner en oxygène dans l’air: [O2] plus abondant (air contient ~ 20% d’O2) Air plus facile à déplacer que l’eau ce qui demande donc moins d’efforts pour ventiler MAIS Pertes d’eau  par évaporation. La surface respiratoire doit constamment demeurer humide (si elle sèche, les gaz respiratoires ne passeront plus).

Les poumons sont des sacs internes qui communiquent avec l’air à l’extérieur. Chez les Amphibiens, les poumons sont formés de deux sacs légèrement plissés (les plis augmentent la surface de contact avec l’air). Chez les Reptiles, les plis internes sont plus accentués (donc plus de surface); les poumons prennent une apparence spongieuse. Amphibien Reptile

Mammifères Chez les Mammifères, les poumons sont formés de minuscules sacs aux parois minces, les alvéoles, qui communiquent avec l’air extérieur par de petits conduits qui se réunissent en plus gros (les bronches et la trachée).

Les premiers animaux pourvus de poumons sont apparus au dévonien supérieur (environ 360 millions d’années). Ces animaux, ancêtres des amphibiens et de tous les tétrapodes (les animaux à quatre pattes) étaient des poissons munis de pattes qui vivaient dans un milieu pauvre en oxygène. Il devenait avantageux pour eux de développer des organes permettant de capter l’oxygène de l’air. Ces poissons qui devaient déjà respirer en partie par la peau (comme plusieurs espèces actuelles adaptées à vivre dans des milieux peu oxygénés) développèrent en plus des poumons primitifs permettant de profiter encore –lus de l’oxygène de l’air.

Ichthyostega Acanthostega Dévonien supérieur, 360 MA Lien vers Ichthyostega: http://www.universcience-vod.fr/media/536/les-larmes-d-ichthyostega.html Les plus vieux fossiles connus de « poissons » terrestres munis de poumons. Ichthyostega Acanthostega Dévonien supérieur, 360 MA

Plèvre pariétale Plèvre viscérale Diaphragme

Trachée  2 bronches  bronchioles Poumon gauche : 2 lobes Poumon droit : 3 lobes

Épithélium cilié des bronches et de la trachée Bronches et bronchioles entourées de muscles lisses.

Bronchioles se terminent par des sacs alvéolaires Surface totale ~ terrain de tennis

CO2 O2 Surfactant: diminue la tension superficielle de la surface ==> empêche les alvéoles de s’affaisser.

(pas de contraction des muscles) Inspiration active Expiration passive (pas de contraction des muscles)

Ce système ne peut fonctionner si la cage thoracique est perforée ==> affaissement des poumons Plèvre viscérale = pneumothorax Plèvre pariétale

Si la tension qui maintient le poumon gonflé est enlevée, les fibres élastiques écrasent les alvéoles qui se vident.

En résumé:

Fin