Approvisionnement en dioxygène et élimination du dioxyde de carbone par l’appareil respiratoire – la respiration pulmonaire

Des échanges gazeux respiratoires entre l'organisme et son milieu de vie

Échanges gazeux par diffusion

La respiration permet de produire de l'énergie sous forme d'ATP. Le dioxygène est réduit en eau. Ce qui nous intéresse ici, c'est l'échange gazeux avec l'environnement ($O_2\to C{O}_2$). Cet échangeur doit être le plus efficace possible, et il est possible de le modéliser avec la loi de Fick :

$$F=\frac{K\times S\times |P_2-P_1|}{E}$$

où :

• $F$ : flux net du compartiment 1 vers compartiment 2.
• $K$ : constante de diffusibilité (dépend du gaz et du milieu).
• $S$ : surface traversée ($m^2$).
• $\mathrm{\Delta }P$ : différence de pression partielle du gaz entre les deux compartiments considérés ($Pa$).
• $E$ : épaisseur traversée ($m$).

Pour optimiser le flux, la surface $S$ doit être la plus grande possible et l'épaisseur $E$ la plus petite possible. Le corps ne peut pas modifier la pression partielle du gaz à l’extérieur, mais il peut modifier celle dans le sang pour maximiser $\mathrm{\Delta }P$.

Pour les poumons humains :

• $E\approx 0,2$ à $0,6\mu m$.
• $S\approx 90m^2$.

La pression partielle en oxygène ($P_{O_2}$) est plus élevée dans les alvéoles que dans le sang veineux, favorisant la diffusion de l'$O_2$ vers le sang. La pression partielle en dioxyde de carbone ($P_{C{O}_2}$) est plus élevée dans le sang veineux que dans les alvéoles, favorisant l'expulsion du $C{O}_2$.

Note

Le $C{O}_2$ dissous forme de l'acide carbonique ($H_{2}C{O}_3$), ce qui diminue le pH sanguin. L'élimination du $C{O}_2$ est donc cruciale pour l'équilibre acido-basique.

Cependant, l'oxygène est peu soluble dans le plasma. Il est donc transporté majoritairement par l'hémoglobine dans les globules rouges.

Les échanges

Les voies respiratoires

L'air pénètre par les narines (ou la bouche), où il est filtré (poils, mucus), réchauffé et humidifié pour protéger les poumons de la dessiccation et des agressions.

Le trajet de l'air :

1. Pharynx (carrefour aéro-digestif).
2. Larynx (protégé par l'épiglotte lors de la déglutition).
3. Trachée.
4. Bronches (division en 2 pour chaque poumon).
5. Bronchioles (ramifications fines).
6. Alvéoles pulmonaires (lieu des échanges).

L'épithélium respiratoire est cilié et sécrète du mucus pour piéger et remonter les particules (escalator muco-ciliaire).

Les alvéoles

Les alvéoles sont les structures terminales où se déroulent les échanges gazeux. Elles sont entourées d'un réseau dense de capillaires sanguins.

Pour éviter que les alvéoles ne s'affaissent sur elles-mêmes à cause de la tension superficielle de l'eau, les cellules alvéolaires sécrètent du surfactant (mélange de phospholipides et protéines). Le surfactant réduit la tension superficielle et maintient les alvéoles ouvertes.

Pathologie

L'absence de surfactant chez les prématurés cause le syndrome de détresse respiratoire.

Voir schéma pour les notations.