Des mécanismes respiratoires adaptés aux différents milieux de vie

Ce qu’il faut savoir avant de commencer :

Quel que soit le milieu de vie chez les êtres vivants, la respiration consiste en l’échange du dioxygène et du dioxyde de carbone entre un organisme et son environnement.

Ce que l’on cherche à comprendre :

Comment respirent les animaux vivant exclusivement dans un milieu aérien ou dans un milieu aquatique ? Pourquoi l’air expiré est-il appauvri en dioxygène (0,) et enrichi en dioxyde de carbone (CO).

 

1. Comment respirer en milieu aérien ?

Pour comprendre les mécanismes mis en jeu, étudions d’abord les organes qui permettent les échanges de gaz entre l’organisme et le milieu: les poumons.

 

• Observons les poumons

La dissection d’un petit animal mort permet d’observer les poumons. Il suffit de couper au milieu du sternum puis de rabattre les deux moitiés de la cage thoracique sur les côtés.

Quand on introduit un tube dans la trachée artère et qu’on souffle, les poumons se gonflent.

L’air circule dans des conduits aériens qui sont extrêmement ramifiés, un peu à la manière des branches d’un arbre. C’est l’appareil respiratoire. L’air inspiré emprunte le trajet suivant : il passe par les narines, ou fosses nasales, le larynx, la trachée artère, les bronches, les bronchioles, les vésicules pulmonaires puis les alvéoles pulmonaires.

 

• Composition du sang entrant et du sang sortant des poumons.

• La surface d’échanges respiratoires.

A travers la fine paroi des alvéoles pulmonaires, le dioxygène de l’air passe dans le sang et le dioxyde de carbone du sang passe dans l’air. Le poumon forme ainsi une grande surface d’échanges entre l’air et le sang. Pour que les échanges aient lieu, l’air et le sang doivent circuler constamment.

 

• Des animaux qui respirent à l’aide de poumons

La respiration pulmonaire est commune à tous les vertébrés qui respirent l’air atmosphérique les batraciens (grenouille), les reptiles (crocodile), les oiseaux (poule), les mammifères (hippopotame, baleine, boeuf, mouton).

 

2. Comment respirer dans l’eau ?

L’observation d’un poisson dans un aquarium révèle des mouvements rythmés qui se font en deux temps:

– 1er temps fermeture de la bouche et soulèvement des opercules,

– 2e temps ouverture de la bouche et application des opercules contre le corps.

• Expérience : à l’aide d’une pipette, plaçons quelques gouttes d’une solution de bleu de méthylène devant la bouche d’un poisson (photo A).

Observation: Les mouvements de la bouche et des opercules provoquent un courant d’eau qui entre par la bouche et sort par les ouïes.

 

• Le poisson rejette du dioxyde de carbone

• Expérience: laissons un poisson dans un petit aquarium plein d’eau et fermé (aquarium A). Deux heures plus tard, enlevons le poisson et versons de l’eau de chaux limpide dans l’aquarium. L’eau se trouble.

Quand on fait la même expérience dans un aquarium où aucun poisson n’a été placé dans l’eau (expérience témoin, aquarium B), l’eau reste limpide.

• Interprétation: l’eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone. Ces expériences montrent que le poisson a rejeté du dioxyde de carbone. Ce gaz est dissous dans l’eau.

• Le poisson prélève du dioxygène

Quand on introduit dans un aquarium une pompe motorisée qui envoie de l’air sous forme de bulles, on constate que les poissons vivent beaucoup plus longtemps que dans de l’eau non aérée. Les bulles d’air contiennent du dioxygène qui se dissout dans l’eau.

Un appareil, l’oxymètre, permet de mesurer la quantité de dioxygène dissous dans l’eau. On compare les valeurs avant et après le séjour d’un animal aquatique dans l’aquarium On remarque qu’en une heure, le poisson consomme 4 millilitres de dioxygène.

 

• Localisation de l’appareil respiratoire du poisson

Lorsqu’on découpe l’opercule comme le montre la photo, nous découvrons en dessous de fines lamelles de couleur rouge rangées comme les dents d’un peigne : ce sont les branchies.

Observe un poisson mort. Il y a quatre branchies de chaque côté. Chaque branchie est formée de deux rangées de filaments branchiaux fixés sur un support osseux appelé arc branchial.

Les branchies ont une paroi mince. une grande surface, sont richement vascularisées, ce qui favorise les échanges gazeux et respiratoires.

 

• Les échanges gazeux au niveau des branchies

Au niveau des branchies, l’eau et le sang ne sont séparés que par une très fine paroi. Ceci laisse supposer qu’il y a un échange de gaz entre l’eau et le sang, comme il en existe entre l’air et le sang dans les poumons.

Des observations complémentaires et des analyses confirment cette hypothèse. En effet :

– le dioxygène dissous dans l’eau qui pénètre par la bouche est essentiellement retenu par le sang qui traverse les branchies,

– le dioxyde de carbone contenu dans le sang qui arrive aux branchies est rejeté dans l’eau qui sort par les ouies.

On en conclut que les branchies sont les organes d’échanges respiratoires entre l’eau et le sang. On dit qu’il y a respiration branchiale.

 

3. Comment un vertébré peut-il respirer à la fois dans l’air et dans l’eau ?

La grenouille, qui possède des poumons et pas de branchies, peut rester très longtemps immergée dans l’eau. Ne respire-t-elle que grâce à ses poumons?

• La peau, une surface d’échanges gazeux efficace

Dans l’air, la grenouille fait bouger en rythme sa gorge et ses flancs, afin de renouveler l’air de ses poumons. Mais dès qu’elle plonge dans l’eau, les mouvements respiratoires cessent et les narines se ferment.

Elle ne fait pas de réserve d’air dans ses poumons et ne possède pas de branchies Comment respire-t-elle ?

C’est sa peau qui fonctionne comme un organe respiratoire. La grenouille immergée a une respiration cutanée (du latin cutis, peau). La peau de la grenouille présente des caractères favorables aux échanges gazeux :

– elle est fine, nue, sans écailles, toujours humide;

– elle possède de nombreux vaisseaux sanguins. Le dioxygène dissous dans l’eau traverse la peau pour atteindre le sang. Le dioxyde de carbone quitte le sang de l’animal, passe à travers la peau et rejoint l’eau située contre la peau.

4. Les tissus respirent-ils ?

Tout organe est vivant. Il consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone. Chaque organe étant constitué de « tissus », on nomme respiration tissulaire ce phénomène.