Respiration et échanges gazeux

Dans la leçon précédente, les nutriments sont passés de l'intestin grêle au sang. Ils ne suffisent pourtant pas : pour s'en servir, tes organes ont besoin d'un second ingrédient, le dioxygène. C'est la respiration qui le fait entrer.

Le dioxygène est un gaz présent dans l'air : il en représente environ 21 %, soit un cinquième. Il n'est pas fabriqué par le corps ; il doit donc y entrer sans arrêt.

Par où passe l'air ? Par un chemin unique, toujours le même :

1. le nez ou la bouche, où l'air est réchauffé et filtré ;
2. la trachée, un tube rigide qui descend dans la poitrine ;
3. les deux bronches, une pour chaque poumon ;
4. des tubes de plus en plus fins, qui se divisent comme les branches d'un arbre ;
5. les alvéoles pulmonaires, de minuscules sacs situés au bout des plus fins de ces tubes.

Une alvéole pulmonaire est un sac microscopique, à paroi très fine, entouré de vaisseaux sanguins : c'est là, et seulement là, que l'air et le sang se rencontrent.

Comment l'air entre-t-il et sort-il ? Grâce aux mouvements de la cage thoracique et d'un muscle placé sous les poumons, le diaphragme. Quand ils augmentent le volume de la poitrine, l'air entre : c'est l'inspiration. Quand ils le diminuent, l'air sort : c'est l'expiration. L'ensemble de ces mouvements s'appelle la ventilation pulmonaire.

Que se passe-t-il dans les alvéoles ? Deux gaz font le trajet, mais en sens contraires. On appelle cela les échanges gazeux.

Le dioxygène passe de l'air vers le sang. Le dioxyde de carbone passe du sang vers l'air, et il repart avec l'expiration.

La preuve, en un tableau. On peut analyser l'air qui entre et l'air qui sort :

Lis-le ligne par ligne. Le dioxygène diminue : une partie est passée dans le sang. Le dioxyde de carbone augmente beaucoup : il est sorti du sang. Le diazote ne change pas : il n'est pas échangé, il fait l'aller-retour sans rien faire.

Une remarque importante. L'air expiré contient encore environ 16 % de dioxygène. Il n'est donc pas vide de dioxygène : le corps n'en prélève qu'une partie. C'est précisément pour cela que le bouche-à-bouche fonctionne lors d'un secours.

D'où vient le dioxyde de carbone ? Pas des poumons, qui ne fabriquent aucun gaz. Il vient des cellules de tout le corps. Dans chaque organe, les nutriments apportés par la digestion et le dioxygène apporté par la respiration sont consommés ensemble pour libérer de l'énergie. Cette opération s'appelle la respiration cellulaire, et elle produit du dioxyde de carbone comme déchet. Le sang le rapporte ensuite jusqu'aux poumons.

Deux mots à ne pas confondre. La ventilation désigne les mouvements de l'air qui entre et qui sort. La respiration cellulaire désigne l'utilisation du dioxygène par les cellules, à l'autre bout du corps. On peut ventiler beaucoup et mal respirer au sens cellulaire, et les deux mots ne décrivent ni le même endroit ni la même chose.

Pourquoi les alvéoles ? Parce qu'un échange entre l'air et le sang ne se fait pas n'importe où. Il lui faut trois qualités, et les alvéoles les réunissent toutes les trois.

Une très grande surface. Les poumons contiennent des centaines de millions d'alvéoles. Mises bout à bout, leurs parois offriraient une surface immense, sans commune mesure avec la taille de la poitrine.

Une paroi très fine. La paroi d'une alvéole est si mince que les gaz la traversent sans difficulté. Une paroi épaisse arrêterait l'échange.

Un contact étroit avec le sang. Chaque alvéole est enveloppée d'un réseau de vaisseaux sanguins minuscules, si bien que l'air et le sang ne sont séparés que par très peu de matière.

Une comparaison qui vaut la peine. Ces trois qualités sont exactement celles de la paroi de l'intestin grêle, vue dans la leçon précédente : grande surface grâce aux villosités, paroi très fine, vaisseaux sanguins juste derrière. Deux organes très différents, un même problème à résoudre — faire passer quelque chose vers le sang — et la même solution. Ce n'est pas une coïncidence : c'est une règle du vivant.

Ce qui change pendant un effort. Quand tu cours, tes muscles consomment beaucoup plus de nutriments et beaucoup plus de dioxygène. Ils produisent donc aussi beaucoup plus de dioxyde de carbone. Le corps s'adapte de deux façons en même temps :

1. la fréquence respiratoire augmente — tu respires plus souvent ;
2. le volume courant augmente — tu respires plus profondément.

Le volume courant est le volume d'air qui entre et qui sort à chaque respiration. La fréquence respiratoire est le nombre de respirations par minute.

Quelques valeurs pour t'orienter :

Calculer le volume d'air ventilé. Le volume d'air qui passe dans les poumons pendant une durée donnée se calcule par une multiplication, qui te sera toujours donnée dans l'énoncé :

Un exemple au repos : avec un volume courant de 0,50 L et une fréquence de 15 par minute, il passe $0{,}50 \times 15 = 7{,}5$ L d'air par minute.

Le même sportif à l'effort, avec 1,8 L et 30 par minute : $1{,}8 \times 30 = 54$ L par minute.

Comparer les deux, et comment. Pour dire de combien la ventilation a augmenté, on divise :

Le volume d'air ventilé chaque minute a été multiplié par 7,2 environ. Attention : soustraire donnerait $54 - 7{,}5 = 46{,}5$ L, ce qui est une différence, pas un facteur. « Multiplié par combien » se calcule toujours par une division.

Ce que ce volume n'est pas. Les 54 litres ne sont pas le volume des poumons, qui n'en contiennent que quelques litres. C'est l'air qui les traverse, entrant et sortant à chaque respiration : le même contenant, rempli et vidé des dizaines de fois par minute.

Le lien avec la leçon suivante. Le dioxygène est maintenant dans le sang, et les nutriments y étaient déjà. Il reste à les conduire jusqu'aux muscles, au cerveau, à tous les organes — et à rapporter le dioxyde de carbone jusqu'aux poumons. C'est le travail de la circulation sanguine, et c'est la leçon suivante. Tu y verras que le cœur, lui aussi, bat plus vite pendant l'effort, et pour exactement la même raison.

Un mot sur la qualité de l'air. Puisque tout ce que contient l'air inspiré arrive au contact du sang, ce que l'on respire compte. La fumée de tabac et l'air pollué abîment la paroi des alvéoles et diminuent la quantité de dioxygène que le sang peut recevoir. C'est un fait mesurable, et c'est la raison scientifique des recommandations que tu entends par ailleurs.

On mesure la respiration d'un même sportif dans deux situations.

On donne la relation : le volume d'air qui passe dans les poumons pendant une durée vaut volume courant × fréquence respiratoire × durée.

1. Quel volume d'air passe dans ses poumons en 1 minute, au repos ?

On applique la relation avec une durée de 1 min :

Vérification du bon sens. Sept litres et demi d'air par minute au repos : c'est une valeur plausible pour un adulte. Si l'on avait trouvé 0,03 L ou 700 L, il faudrait chercher l'erreur.

2. Quel volume d'air passe dans ses poumons en 4 minutes de course ?

D'abord le volume ventilé en une minute pendant l'effort :

Puis en 4 minutes :

Pourquoi calculer en deux temps ? Parce que c'est plus sûr : on obtient au passage le volume par minute, qui se compare facilement à une valeur connue. Faire tout d'un coup donne le même résultat, mais on ne peut rien vérifier au milieu.

3. Par combien le volume d'air ventilé chaque minute a-t-il été multiplié ?

On compare les deux volumes par minute, 7,5 L au repos et 54 L à l'effort, en divisant :

Le volume ventilé chaque minute a été multiplié par 7,2 environ. La réponse n'a pas d'unité : c'est un nombre de fois, pas un volume.

L'erreur à ne pas commettre. Soustraire donnerait $54 - 7{,}5 = 46{,}5$ L. C'est vrai, mais cela répond à une autre question : « combien de litres de plus ? » et non « multiplié par combien ? ».

4. D'où vient cette augmentation ?

De deux changements en même temps. Le volume courant est passé de 0,50 L à 1,8 L, soit environ 3,6 fois plus : le sportif respire plus profondément. La fréquence est passée de 15 à 30, soit 2 fois plus : il respire plus souvent.

Et $3{,}6 \times 2 = 7{,}2$ : on retrouve exactement le facteur trouvé à la question 3. Les deux adaptations se multiplient, elles ne s'additionnent pas.

5. À quoi sert tout cet air supplémentaire ?

Les muscles du coureur consomment beaucoup plus de dioxygène, parce qu'ils libèrent beaucoup plus d'énergie à partir des nutriments. Ils produisent en même temps beaucoup plus de dioxyde de carbone, qu'il faut évacuer. Ventiler davantage règle les deux problèmes à la fois.

Le maillon manquant. Cet air ne sert à rien si le sang ne va pas le chercher et ne le distribue pas assez vite. C'est pourquoi le cœur, lui aussi, s'accélère — et c'est le sujet de la leçon suivante.

Figure (fig.biology.alveolus-gas-exchange, SVG programmatique à produire) : un panneau d'ensemble, un agrandissement et un graphique, dans la teinte biologie de la charte.

• Panneau 1 — le chemin de l'air. Une silhouette du buste, de face, montrant le nez et la bouche, la trachée en trait épais, les deux bronches, puis un arbre de tubes de plus en plus fins jusqu'à des grappes de petits sacs. Le diaphragme est dessiné sous les poumons, en trait épais, dans deux positions superposées : abaissée en trait plein, étiquetée « inspiration, l'air entre », et relevée en trait tireté, étiquetée « expiration, l'air sort ». Deux flèches opposées, l'une entrante l'autre sortante, longent la trachée.
• Panneau 2 — l'agrandissement d'une alvéole. Un cercle relié par deux traits à l'une des grappes du panneau 1. À l'intérieur : une alvéole dessinée en coupe, comme un sac dont la paroi est un trait très fin, entourée d'un vaisseau sanguin accolé à elle. Deux familles de flèches traversent la paroi, de formes différentes et non pas seulement de couleurs différentes : des flèches à pointe pleine, dirigées de l'air vers le sang, étiquetées « dioxygène » ; des flèches à pointe évidée, dirigées du sang vers l'air, étiquetées « dioxyde de carbone ». Une cote fléchée souligne la finesse de la paroi. Mention en bas du cercle : « grande surface, paroi très fine, vaisseau au contact ».
• Panneau 3 — le tableau devenu graphique. Un diagramme en barres verticales, axe partant de zéro, gradué de 0 à 100 %. Trois paires de barres, une paire par gaz : dioxygène (21 % inspiré, 16 % expiré), dioxyde de carbone (0,04 % inspiré, 4 % expiré), diazote (78 % inspiré, 78 % expiré). Dans chaque paire, la barre « inspiré » est pleine et la barre « expiré » est hachurée. Une flèche descendante longe la paire du dioxygène, une flèche montante celle du dioxyde de carbone, et un signe « = » celle du diazote. Un encart agrandi reprend la paire du dioxyde de carbone sur un axe gradué de 0 à 5 %, parce que 0,04 % est invisible à l'échelle précédente.
• Bandeau du bas — la boucle complète. Quatre blocs reliés par des flèches formant un cycle : « alvéoles → dioxygène dans le sang », « sang → organes », « organes : nutriments + dioxygène → énergie + dioxyde de carbone », « sang → alvéoles ». Le bloc des nutriments porte un renvoi « leçon 1 : digestion » et les deux blocs « sang » portent un renvoi « leçon 3 : circulation », en trait tireté.

Ce qu'il faut lire. Le panneau 2 explique le panneau 3. Les deux gaz ne traversent pas dans le même sens, et c'est cela que le tableau des pourcentages mesure : ce qui baisse est parti vers le sang, ce qui monte en est sorti. Le diazote, lui, ne bouge pas — il sert de témoin. L'encart du dioxyde de carbone rappelle enfin qu'une variation de 0,04 % à 4 % est énorme, même si les deux barres paraissent minuscules à côté de celle du diazote.

La figure en détail : trois panneaux. Le premier montre le chemin de l'air dans un buste : nez et bouche, trachée, deux bronches, tubes de plus en plus fins, grappes de petits sacs, et le diaphragme dessiné dans deux positions, abaissée pour l'inspiration et relevée pour l'expiration. Le deuxième est un agrandissement d'une alvéole en coupe, sac à paroi très fine entouré d'un vaisseau sanguin accolé : des flèches à pointe pleine font passer le dioxygène de l'air vers le sang, des flèches à pointe évidée font passer le dioxyde de carbone du sang vers l'air. Le troisième est un diagramme en barres partant de zéro, comparant l'air inspiré et l'air expiré pour trois gaz : le dioxygène passe de vingt et un à seize pour cent, le dioxyde de carbone de zéro virgule zéro quatre à quatre pour cent, et le diazote reste à soixante-dix-huit pour cent ; un encart agrandi permet de voir la variation du dioxyde de carbone. Un bandeau en bas relie les alvéoles, le sang, les organes et le retour vers les alvéoles, en renvoyant à la leçon sur la digestion et à celle sur la circulation.

La relation est donnée, jamais à retenir. Le volume d'air ventilé n'est pas une connaissance exigible du cycle 4 : l'énoncé te l'écrira toujours. Ce qui est évalué, c'est ta capacité à t'en servir et à contrôler ton résultat.

Les unités doivent aller ensemble. Si la fréquence est donnée par minute, la durée doit être en minutes. Une durée en secondes donnerait un résultat soixante fois trop grand. On convertit avant de multiplier, jamais après.

Une fréquence n'a pas d'unité au sens strict. On écrit « 30 respirations par minute », et non « 30 L » ni « 30 s ». De même, un facteur d'augmentation est un nombre de fois : il ne porte aucune unité.

Multiplié par combien : une division, toujours. Comparer deux valeurs par une soustraction donne une différence, en litres. Les comparer par une division donne un facteur, sans unité. La question posée décide de l'opération.

Ordres de grandeur à savoir juger. Un adulte ventile de l'ordre de 7 à 10 L d'air par minute au repos, et peut dépasser 80 L par minute lors d'un effort intense. Un résultat de 200 L par minute est impossible, quelle que soit la beauté du calcul qui y mène : c'est le contrôle le plus utile de tout l'exercice.

Ce qui n'est pas au programme en 5e. Le calcul des volumes pulmonaires détaillés, la mesure des pressions des gaz, l'équation chimique de la respiration cellulaire et le rôle de l'hémoglobine appartiennent aux classes supérieures. On sait ici que le dioxygène est transporté par le sang, sans dire encore comment.

1. Croire que l'air expiré ne contient plus de dioxygène. Il en contient encore environ 16 %, contre 21 % dans l'air inspiré. Le corps n'en prélève qu'une partie à chaque passage — et c'est bien pour cela que le bouche-à-bouche peut sauver quelqu'un.
2. Confondre ventilation et respiration cellulaire. La ventilation, ce sont les mouvements de l'air qui entre et qui sort des poumons. La respiration cellulaire, c'est l'utilisation du dioxygène par les cellules de tout le corps. Deux endroits différents, deux phénomènes différents.
3. Penser que le dioxyde de carbone est fabriqué par les poumons. Les poumons ne fabriquent aucun gaz : ils l'évacuent. Le dioxyde de carbone est produit par les cellules de tous les organes, et le sang le rapporte jusqu'aux alvéoles.
4. Croire que le diazote est échangé lui aussi. Sa proportion est la même dans l'air inspiré et dans l'air expiré, 78 %. Il entre et il ressort sans participer à rien. C'est d'ailleurs ce qui en fait un bon témoin dans le tableau.
5. Confondre le volume ventilé et le volume des poumons. Cinquante litres d'air peuvent traverser les poumons en une minute, alors qu'ils n'en contiennent que quelques-uns. C'est un air qui passe, pas un air qui s'accumule.
6. Répondre à « multiplié par combien » par une soustraction. La différence entre 54 L et 7,5 L vaut 46,5 L ; le facteur vaut $54 \div 7{,}5 = 7{,}2$. La première réponse est un volume, la seconde un nombre de fois : seule la seconde répond à la question.
7. Oublier de convertir la durée. La fréquence est donnée par minute. Une durée exprimée en secondes doit être convertie avant tout calcul, sinon le résultat est soixante fois trop grand.
8. Croire que respirer plus vite suffit à tout. Le corps augmente en même temps la fréquence et la profondeur des respirations, et les deux effets se multiplient. Ne tenir compte que de la fréquence sous-estime beaucoup l'adaptation à l'effort.

Exercice type. L'exercice propose trois variantes autour de la ventilation : calculer le volume d'air ventilé pendant une durée donnée, retrouver la fréquence respiratoire à partir du volume total, ou comparer le repos et l'effort par un facteur d'augmentation. La relation est écrite dans chaque énoncé, et les valeurs restent toujours dans les plages réellement mesurées chez un être humain.

Énoncé. Un coureur respire pendant une course. À chaque respiration, il fait entrer et sortir un volume courant de 1,8 L d'air, et il respire 30 fois par minute. Donnée : le volume d'air qui passe dans les poumons pendant une durée vaut volume courant × fréquence respiratoire × durée. Quel volume d'air passe dans ses poumons en 4 min ?

Correction complète.

Étape 1 — relire la relation donnée. Elle est dans l'énoncé, il n'y a rien à retenir. Trois facteurs à multiplier : le volume courant, la fréquence, la durée.

Étape 2 — vérifier que les unités vont ensemble. La fréquence est donnée par minute, et la durée est donnée en minutes. Rien à convertir. Si la durée avait été donnée en secondes, il aurait fallu la convertir d'abord.

Étape 3 — calculer le volume ventilé en une minute.

Il passe donc 54 litres d'air par minute dans ses poumons.

Étape 4 — multiplier par la durée.

La réponse est 216 L.

Étape 5 — contrôler l'ordre de grandeur. Un adulte à l'effort ventile entre 40 et 90 litres par minute. Les 54 L par minute trouvés à l'étape 3 sont donc plausibles, et le résultat final aussi. Si l'on avait obtenu 300 L par minute, il faudrait reprendre le calcul : aucun être humain ne ventile autant.

Étape 6 — interpréter la réponse. Ces 216 litres ne sont pas contenus dans les poumons, qui n'en contiennent que quelques-uns. C'est le volume d'air qui les traverse en 4 minutes, entrant et sortant à chaque respiration.

Auto-contrôle en trois questions. La durée est-elle dans la même unité que la fréquence ? Le volume par minute est-il crédible pour un être humain ? Ai-je bien donné la réponse en litres ?