Thème 6.4 Les échanges gazeux Idée Essentielle: les poumons sont activement ventilés pour garantir que les échanges gazeux puissent se faire passivement.

Nature de la science L’obtention de preuves pour les théories : les études épidémiologiques nous ont aides à comprendre les causes du cancer du poumon. (1.8) Notions-Clés 6.4 N1 La ventilation maintient les gradients d’oxygène et de dioxyde de carbone entre l’air contenu dans les alvéoles et le sang circulant dans les capillaires adjacents. Les élèves doivent pouvoir dessiner un diagramme pour montrer la structure d’une alvéole et celle d’un capillaire adjacent 6.4 N2 Les pneumocytes de type I sont des cellules alvéolaires extrêmement minces qui sont adaptées pour effectuer les échanges gazeux. 6.4 N3 Les pneumocytes de type II secrètent une solution contenant un surfactant qui crée une surface humide dans les alvéoles en vue d’empêcher que les cotés de l’alvéole adhèrent l’un à l’autre en réduisant la tension superficielle. 6.4 N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles. 6.4 N5 Les contractions musculaires provoquent les changements de pression dans le thorax qui forcent l’air a entrer et a sortir des poumons pour les ventiler. 6.4 N6 Des muscles différents sont requis pour l’inspiration et l’expiration car les muscles fonctionnent uniquement lorsqu’ils se contractent

Nature de la science L’obtention de preuves pour les théories : les études épidémiologiques nous ont aides à comprendre les causes du cancer du poumon. (1.8) Compétences et Applications 6.4 A1 Les causes et les conséquences du cancer du poumon. 6.4 A2 Les causes et les conséquences de l’emphysème. 6.4 A3 Les muscles intercostaux externes et internes, et le diaphragme et les muscles abdominaux à titre d’exemples d’action musculaire antagoniste. 6.4 C1 Le contrôle de la ventilation chez les êtres humains au repos et après des exercices physiques légers et vigoureux. (Exercice de travaux pratiques 6) La ventilation peut être contrôlée par simple observation et au moyen d’appareils simples ou en enregistrant des données avec un spiromètre ou une courroie thoracique et un manomètre. Le taux de ventilation et le volume courant doivent être mesures mais les élèves n’ont pas à utiliser les termes « capacité vitale » et « volume résiduel ».

Respirer ou respirer? Ventilation: Échange gazeux: 6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles Respirer ou respirer? Ventilation: Mouvement de l’air qui entre et sort des poumons en deux étapes: inspiration et expiration. Elle est contrôlée par le mouvement du diaphragme et de la cage thoracique Échange gazeux: L’échange (diffusion) de l’oxygène et du dioxyde de carbone du sang vers les cellules et les alvéoles. Respiration cellulaire: La production d’ATP au niveau cellulaire (mitochondrie). La respiration aérobique nécessite de l’oxygène alors que l’anaérobique n’en a pas besoin.

Respiration cutanée O2 CO2 Surface respiratoire = peau 6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles 957 O2 Respiration cutanée CO2 Surface respiratoire = peau Organismes aquatiques ou terrestres (mais la peau doit demeurer humide). Surface d’échange limitée à la peau. Donc, limite à l’augmentation de volume. N.B. les Amphibiens respirent aussi avec des poumons. Ex. Cnidaires, Vers, Amphibiens

6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles 958 Branchies = replis minces de tissus (les nombreux replis permettent une grande surface). Surface très vascularisée. Bien adaptées à la vie aquatique, mais pas du tout à la vie hors de l’eau.

Résistance au déplacement dans l’eau 6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles Branchies externes Manque de protection Résistance au déplacement dans l’eau Branchies internes Besoin d’un système pour faire circuler l’eau. Opercule

Eau et sang circulent en sens contraire 6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles Eau et sang circulent en sens contraire

6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles 959 Échanges à contre-courant augmentent l’efficacité de l’absorption de l’oxygène: Si la circulation de l’eau se faisait dans le même sens que celle du sang. Si la circulation de l’eau se fait dans le sens contraire de celle du sang.

Le système trachéen des insectes 6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles Le système trachéen des insectes 959 Les mouvements de l’animal assurent la ventilation (circulation de l’air dans les trachées et trachéoles).

6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles

Le système de Ventilation: 6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles Le système de Ventilation: Les petits organismes comme les vers plats, les protistes et les bactéries peuvent échanger les gaz directement avec leur environnement par diffusion. Les gros organismes ont des adaptations qui reflètent leur environnement. Les animaux terrestres (et certains mammifères marins), incluant les humains ont un système de ventilation interne évolué qui permet les échanges gazeux avec le sang. Pensez comment la structure, fonction et l’évolution est démontré dans ce thème.

6.4.N4 L’air est transporté jusqu’aux poumons dans la trachée et les bronches, puis jusqu’aux alvéoles dans les bronchioles Trachée 2,5 cm

Pourquoi avons-nous besoin d’un système de ventilation 6.4.N1 La ventilation maintient les gradients d’oxygène et de dioxyde de carbone entre l’air contenu dans les alvéoles et le sang circulant dans les capillaires adjacents Nous sommes de gros organismes. L’oxygène ne peut diffuser dans toutes nos cellules directement de l’air, et le corps ne peut pas se débarrasser de déchets directement. Nous avons des systèmes d’organes spécialisés qui sont efficaces, mais ont besoin de recevoir des nutriments et de se défaire de déchets. Le système de v0entilation permet au sang d’accomplir cette tâche. Nous sommes terrestre. Les gaz ont besoin de surfaces (membranes) humides afin de diffuser. Nos poumons sont des membranes humides, permettant la diffusion de l’oxygène dans le sang et au dioxyde de carbone de quitter. Le système de ventilation maintient un grand gradient de concentration entre le sang et les alvéoles. Le flux constant passant par les alvéoles apporte du sang avec une haute concentration en CO2 et une faible concentration en O2. L’expiration maintient la concentration de CO2 dans les alvéoles faibles, alors celui-ci diffuse hors du sang. L’inspiration apporte une haute concentration d’O2 dans les alvéoles, donc il diffuse dans le sang. Pourquoi avons-nous besoin d’un système de ventilation Diagramme de: http://www.sciencequiz.net/jcscience/jcbiology/gapfilling/breathingsystem.htm

Animation http://www.wisc-online.com/objects/ViewObject.aspx?ID=AP15104

Le système de ventilation Pour avoir un échange gazeux efficace, un haut gradient de concentration est nécessaire dans les alvéoles, L’inspiration augment le gradient de concentration en oxygène entre l’alvéole et le sang donc il (O2) diffuse dans le sang. L’expiration retires le CO2 (et l’O2 non-utilisé) augmentant le gradient de concentration de Cos entre le sang et les alvéoles alors le CO2 diffuse hors du sang. Source: http://highered.mheducation.com/sites/0072495855/student_view0/chapter25/animation__gas_exchange_during_respiration.html Si l’alvéole n’est pas ventilé, l’équilibre ne sera pas atteint et aucun échange gazeux n’aura lieu.

6.4.N2 Les pneumocytes de type I sont des cellules alvéolaires extrêmement minces qui sont adaptées pour effectuer les échanges gazeux 6.4.N3 Les pneumocytes de type II secrètent une solution contenant un surfactant qui crée une surface humide dans les alvéoles en vue d’empêcher que les cotés de l’alvéole adhèrent l’un à l’autre en réduisant la tension superficielle Source: http://emphyseme.net/alveoles/

Les alvéoles sont bien adaptées aux échanges gazeux 6.4.N2 Les pneumocytes de type I sont des cellules alvéolaires extrêmement minces qui sont adaptées pour effectuer les échanges gazeux Les alvéoles augmentent la surface pour les échanges gazeux. Ils dénombrent dans les millions, chacun avec leur réseau de capillaires – une source riche en apport sanguin qui maintient un gradient de concentration élevé de O2 et CO2. Les membranes sont très minces – chez les alvéoles et les capillaires donc la distance de diffusion est courte. Les surfaces sont humides: Les gaz peuvent être dissous, rendant la diffusion plus facile Les alvéoles sont bien adaptées aux échanges gazeux

Les deux poumons contiennent environ 300 millions d’alvéoles. 6.4.N2 Les pneumocytes de type I sont des cellules alvéolaires extrêmement minces qui sont adaptées pour effectuer les échanges gazeux Bronchioles se terminent par des sacs alvéolaires formés d’alvéoles pulmonaires. Les deux poumons contiennent environ 300 millions d’alvéoles. Surface totale ~ 100 m2

6.4.N2 Les pneumocytes de type I sont des cellules alvéolaires extrêmement minces qui sont adaptées pour effectuer les échanges gazeux 6.4.N3 Les pneumocytes de type II secrètent une solution contenant un surfactant qui crée une surface humide dans les alvéoles en vue d’empêcher que les cotés de l’alvéole adhèrent l’un à l’autre en réduisant la tension superficielle Deux types de cellules, les cellules alvéolaire pavimenteuses de type I et les cellules alvéolaires cubiques de type II. Ces dernières sécrètent le surfactant qui couvre la surface de l’épithélium alvéolaire et évite l’affaissement des alvéoles. Les cellules endothéliales des capillaires sont étroitement associées aux cellules alvéolaires de type I, mais sont séparées par une simple membrane basale. Source: http://audilab.bmed.mcgill.ca/HA/html/resp_21_F.html

6.4.N2 Les pneumocytes de type I sont des cellules alvéolaires extrêmement minces qui sont adaptées pour effectuer les échanges gazeux 6.4.N3 Les pneumocytes de type II secrètent une solution contenant un surfactant qui crée une surface humide dans les alvéoles en vue d’empêcher que les cotés de l’alvéole adhèrent l’un à l’autre en réduisant la tension superficielle Source: http://www.vdsciences.com/pages/sciences-biologiques/biologie-animale/organogenese/organogenese-vertebres-11.html

Échanges et transport de l’O2 et du CO2 6.4.N2 Les pneumocytes de type I sont des cellules alvéolaires extrêmement minces qui sont adaptées pour effectuer les échanges gazeux 965 Échanges et transport de l’O2 et du CO2 Pression partielle d’un gaz = pression exercée par un gaz dans un mélange. Ex. O2 dans l’air = 21% P partielle O2 (PO2) = 21% de la pression atmosphérique La pression atmosphérique est de 760 mmHg. Quelle est la PO2 ? Un gaz diffuse toujours de là où sa pression partielle est élevée à là où elle est plus faible.

Échanges au niveau des alvéoles 966 Échanges au niveau des alvéoles La PO2 alvéolaire est d’environ 30% à 40% inférieure à la PO2 atmosphérique (voyez-vous pourquoi?) Au niveau de la mer : PO2 atmosphérique = ~ 160 mmHg PCO2 atmosphérique = ~ 0,3 mmHg La PCO2 alvéolaire est largement supérieure à la PCO2 atmosphérique

Échanges au niveau des tissus

Quel(s) processus de transport membranaire est utilisé dans les échanges gazeux des membranes de l’alvéole? http://www.footprints-science.co.uk/alveoli.htm

Combien de membranes une molécule d’oxygène doit-elle traverser afin d’entrer dans un érythrocyte?

Combien de membranes une molécule d’oxygène doit-elle traverser afin d’entrer dans un érythrocyte? Les alvéoles et les capillaires ont une épaisseur d’une cellules. Il y a aussi la membrane du globule rouge à traverser.

Mécanique de la respiration Notions de pression Pression atmosphérique au niveau de la mer (Patm) = 1 atm. 1 atm. = 760 mm Hg = 101,3 kPa Pression dans les poumons souvent exprimée en mm Hg par rapport à la pression atmosphérique. Ex. Pression de - 4 mm Hg = P atmosphérique - 4 mm Hg = 760 - 4 = 756 mm Hg Ex. Pression de 2 mm Hg = 760 + 2 = 762 mm Hg

Respiration à pression négative

Action du diaphragme Inspiration 6.4.N5 Les contractions musculaires provoquent les changements de pression dans le thorax qui forcent l’air a entrer et a sortir des poumons pour les ventiler Inspiration Le volume de la cage thoracique augmente Action du diaphragme

Action des muscles intercostaux 6.4.N5 Les contractions musculaires provoquent les changements de pression dans le thorax qui forcent l’air a entrer et a sortir des poumons pour les ventiler Action des muscles intercostaux Inspiration Expiration forcée

Sterno-cléïdo-mastoïdiens Petit pectoral 6.4.N5 Les contractions musculaires provoquent les changements de pression dans le thorax qui forcent l’air a entrer et a sortir des poumons pour les ventiler Inspiration forcée : contractions d’autres muscles accessoires accroît le volume de la cage thoracique : Scalènes Sterno-cléïdo-mastoïdiens Petit pectoral

Contraction des intercostaux internes. 6.4.N5 Les contractions musculaires provoquent les changements de pression dans le thorax qui forcent l’air a entrer et a sortir des poumons pour les ventiler Expiration normale : = relâchement des muscles de l’inspiration. Expiration forcée : Contraction des intercostaux internes. Contraction des muscles de la paroi abdominale.

Expiration passive (ne demande pas de contracter des muscles) 6.4.N6 Des muscles différents sont requis pour l’inspiration et l’expiration car les muscles fonctionnent uniquement lorsqu’ils se contractent Inspiration active Expiration passive (ne demande pas de contracter des muscles)

Expiration normale = relâchement des muscles de l’inspiration. EXPIRATION PASSIVE Muscles du cou EXPIRATION FORCÉE Intercostaux externes Intercostaux internes Muscles abdominaux Expiration normale = relâchement des muscles de l’inspiration. Expiration forcée = contractions des intercostaux internes et des muscles abdominaux.

Inspiration Expiration forcée 6.4.N6 Des muscles différents sont requis pour l’inspiration et l’expiration car les muscles fonctionnent uniquement lorsqu’ils se contractent Inspiration Expiration forcée Contraction des muscles abdominaux pousse les organes abdominaux sur le diaphragme.

Le système de ventilation 6.4.N6 Des muscles différents sont requis pour l’inspiration et l’expiration car les muscles fonctionnent uniquement lorsqu’ils se contractent Les muscles intercostaux contrôle le mouvement de la cage thoracique. Trachée Poumons Bronches Bronchioles Alvéoles Diaphragme Le système de ventilation

La physique de la ventilation Inspiration: Les muscles intercostaux externes se contractent. Le diaphragme se contracte (descend) Les muscles abdominaux relaxent. Le volume du torse augmente La pression dans les poumons diminuent, L’air entre. Expiration: Les muscles intercostaux internes se contractent. Le diaphragme relaxe(monte) Les muscles abdominaux se contractent. Le volume du torse diminue La pression dans les poumons augmentent, L’air est poussé vers l’extérieur.

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

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

6.4.A1 Les causes et les conséquences du cancer du poumon Le cancer du poumon Source: https://www.youtube.com/watch?v=BQJqE5obeO8

Les signes et symptômes 6.4.A1 Les causes et les conséquences du cancer du poumon Les signes et symptômes toux qui s'intensifie ou qui ne disparaît pas douleur thoracique qui est constante et qui s’intensifie quand on respire profondément ou qu’on tousse expectorations sanguinolentes (mucus et autres matières expulsés des poumons quand on tousse) essoufflement respiration sifflante infections broncho-pulmonaires fréquentes (bronchite ou pneumonie) fatigue voix enrouée perte d'appétit perte de poids poumon affaissé (pneumothorax) douleur importante à l'épaule causée par une tumeur de l’apex pulmonaire qui exerce une pression sur un nerf syndrome de Horner douleur importante à l’épaule problèmes avec un œil affaissement ou faiblesse de la paupière pupille rétrécie diminution ou absence de transpiration du côté affecté du visage Source: http://www.cancer.ca/fr-ca/cancer-information/cancer-type/lung/signs-and-symptoms/?region=on#ixzz3sMrEUzYt

6.4.A2 Les causes et les conséquences de l’emphysème L'emphysème est un trouble pulmonaire chronique dans lequel des sacs d'air naturels appelés alvéoles subissent une augmentation de volume alors que leur nombre diminue Causes Source: https://www.youtube.com/watch?v=l08QCAOOgCE Source: https://www.youtube.com/watch?v=eb6OMGfVC48

6.4.A2 Les causes et les conséquences de l’emphysème L'emphysème est un trouble pulmonaire chronique dans lequel des sacs d'air naturels appelés alvéoles subissent une augmentation de volume alors que leur nombre diminue Causes Le tabagisme est la principale cause de l'emphysème.  La majeure partie des personnes qui souffrent d'emphysème étaient auparavant de grands fumeurs. Le tabagisme est responsable de 80 à 90 % des cas de bronchopneumopathie obstructive chronique (BPOC), ce qui comprend l’emphysème. Le tabagisme est également à l’origine d’au moins 85 % de tous les cas de cancer du poumon au Canada L'hérédité joue parfois un rôle dans l'emphysème. Les porteurs d'une anomalie génétique spécifique appelée déficience en alpha-1-antitrypsine homozygote courent un risque élevé de contracter l'emphysème. Cette anomalie est toutefois rare et elle n'explique que moins de 1 % des cas. Il est essentiel que les personnes atteintes d'une carence en alpha-1-antitrypsine ne fument pas. L'âge entraîne naturellement des transformations dans les poumons et les alvéoles, même pour les non-fumeurs. Il arrive que la perte de l'élasticité soit suffisamment grave pour être considérée comme de l'emphysème. La pollution atmosphérique peut également irriter les poumons et provoquer de l'emphysème, bien que la pollution soit rarement le seul facteur en cause

Les signes et symptômes 6.4.A2 Les causes et les conséquences de l’emphysème Les signes et symptômes Au début de la maladie, les symptômes sont parfois peu nombreux.  Le dommage subi par les alvéoles cause un essoufflement à l'effort qui est généralement le premier symptôme. Au fur et à mesure que l'emphysème évolue, l'essoufflement peut être ressenti même au repos. Cette gêne respiratoire peut influer sur des activités normales comme l'ingestion de la nourriture, et mener à une perte d'appétit et de poids. Parmi les autres symptômes possibles, on note une sensation d'oppression thoracique, de la fatigue et une toux chronique. À mesure que les alvéoles se distendent, de l'air reste dans des poches appeléesbulles qui se forment dans les poumons. Ce phénomène peut produire le « thorax en tonneau », une forme caractéristique de la poitrine surgonflée. L’hypertension pulmonaire; on en soupçonne l'existence quand on constate une enflure des jambes, un gonflement de l'abdomen ou des pulsations bien visibles dans les veines du cou d'une personne atteinte d'emphysème. (Les lésions pulmonaires chroniques empêchent le cœur de faire circuler le sang normalement. En fait, ces lésions peuvent faire augmenter la pression dans la partie du cœur qui pompe le sang vers les poumons.) Les bulles (mentionnées précédemment) peuvent se rompre à l'extérieur du poumon dans la cavité pleurale (l'espace tout autour de chacun des poumons). L'air qui s'accumule à l'extérieur du poumon peut entraîner une affection appelée pneumothorax susceptible de mettre en jeu la vie de la personne touchée. L'organisme tentera également de compenser la baisse d'oxygène en augmentant le nombre de globules rouges (une polyglobulie secondaire). Parfois, l'augmentation du nombre de globules rouges est si importante que cela peut causer la formation de caillots de sang.

p. 844 La tuberculose

p. 844 L’asthme

L’asthme L’asthme peut être causé par des facteurs environnementaux et génétique. Les attaques d’asthme peuvent être engendrées par plusieurs facteurs et doivent être traitées rapidement et en sécurité Les inhalateurs contiennent des hormones qui, lors d’une attaque d’asthme relâchent les muscles des bronches pour les ouvrir et permettre à l’air de circuler normalement. Les gens souffrant d’asthme doivent être conscients des éléments déclencheurs asthmatique et de prendre des précautions pour les éviter (prévention). Source de la vidéo et de l’image.

Exercices de respiration – Yoga de bureau Au diplôme, il faut ventiler! Exercices simples. Garder votre coup droit. Faites la rotation de vos épaules vers l’avant, puis l’arrière, 5 rotations. Pliez votre coup pour toucher votre tête contre les épaules, à gauche, puis à droite – 5 fois Penchez votre tête vers l’avant, touchant votre torse, puis vers l’arrière – 5 fois Observation de la respiration Fermez vos yeux, respirer normalement « Observer » votre respiration Pranayama Levez-vous Prenez des respirations profondes, mais douces Ressentisses l’air qui entre et sort, en essayant de contrôler le débit Ayez des pensées favorables à propos de votre graduation Exercices tirés de : http://www.healthandyoga.com/html/news/exercise.html Image: '11,750 Foot Yoga Moment' http://www.flickr.com/photos/94833286@N00/2838289483 Found on flickrcc.net