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Le système respiratoire chez les animaux vertébrés

Illustration 3D des poumons humains

Illustration 3D des poumons humains (kalhh, Pixabay)

Illustration 3D des poumons humains

Illustration 3D des poumons humains (kalhh, Pixabay)

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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre comment différents animaux respirent, des poissons aux humains.

Tous les animaux ont besoin d’oxygène provenant de l’environnement. Ils utilisent l’oxygène pour transformer en énergie les nutriments qu’ils extraient de leur nourriture. Cette énergie est utilisée pour effectuer différentes activités de la vie quotidienne, comme bouger, apprendre et digérer. Lorsque la nourriture se combine avec l’oxygène, de l’énergie est produite. Ce processus s’appelle le métabolisme.

Durant le métabolisme, le dioxyde de carbone est produit en tant que déchet. Les animaux doivent pouvoir se débarrasser du dioxyde de carbone pour qu’un bon métabolisme se produise. Le système respiratoire est le système d’organes que les animaux utilisent pour faire entrer de l’oxygène et se débarrasser du dioxyde de carbone. On appelle le processus qui consiste à faire entrer de l’oxygène et sortir le dioxyde de carbone la respiration.

Système respiratoire des mammifères

La respiration commence par le mouvement de l’air qui passe par ta bouche et tes narines. Le système respiratoire humain commence à la trachée. Il s’agit d’un tube rigide renforcé par des anneaux de cartilage. Elle commence à l’arrière de ta bouche et de ton nez puis se sépare en deux tubes appelés bronches.

Le système respiratoire humain et ses composants
Le système respiratoire humain et ses composants (Source : Parlons sciences utilise une image de Graphics RF via Vecteezy).
Image - Version textuelle

L'illustration montre le système respiratoire humain et la partie supérieure d'un corps humain masculin. Les parties du système respiratoire sont opaques tandis que le reste du corps est translucide.

Dans la région du cou, un objet rose en forme de tube, appelé trachée, descend de la bouche. Les poumons sont rose foncé et fortement veinés, un de chaque côté du corps, partent du bas de la trachée. Le cœur est également représenté par une forme jaunâtre derrière les poumons. À la base des poumons se trouve une forme plate incurvée rose clair appelée diaphragme. La trachée, les poumons, le cœur et le diaphragme sont identifiés comme appartenant à la cavité thoracique.

Certaines des structures internes du poumon se détachent du poumon gauche. Ces structures ont été considérablement agrandies pour être plus faciles à identifier. À partir du poumon droit ressort un tube rose appelée bronche. La bronche se divise en quelques branches, dont certaines se terminent par des structures qui ressemblent à des grappes de raisin rose. Ces objets ressemblant à des raisins sont appelés alvéoles. C'est à l'intérieur de ces structures qu'ont lieu les échanges gazeux.

Les bronches et les alvéoles sont entourées de deux vaisseaux sanguins fins et ramifiés. Ceux qui sont colorés en rouge sont appelées artérioles pulmonaires et celles qui sont colorées en bleu sont appelées veinules pulmonaires. Ces vaisseaux sanguins transportent les molécules de gaz vers et depuis les poumons.

Tu peux sentir les anneaux de cartilage dans ta trachée en passant tes doigts le long du devant de ton cou. Peux-tu sentir les bosses? Ces bosses sont les anneaux de cartilage! Chaque bronche se divise plusieurs fois pour former des tubes plus petits appelés bronchioles. Ces bronchioles forment un réseau complexe de millions de petits tubes qui mènent vers des sacs appelés alvéoles. Ce réseau complexe de tubes et de sacs forme les poumons.

Le savais-tu?

Ton poumon gauche est plus petit que ton poumon droit. C’est parce que le poumon gauche doit laisser de la place pour ton cœur!

Tes poumons, ainsi que ton cœur, sont situés dans ta poitrine, aussi connue sous le nom de thorax. Ces organes sont protégés par un ensemble d’os appelé la cage thoracique. Le diaphragme sépare la cavité thoracique de la cavité abdominale, où se situent l’estomac et les intestins. Il s’agit d’un grand muscle en forme de dôme situé sous la cage thoracique.

Ventilation

La ventilation est le processus par lequel l’air est aspiré dans les poumons puis en est expulsé. Ceci s’effectue en contrôlant le volume de la cavité thoracique, c’est-à-dire l’espace où sont situés les poumons. Le muscle principal responsable de la ventilation est le diaphragme. Il est aidé par les muscles intercostaux, qui sont les muscles entre les côtes.

Lorsque tu inspires, le diaphragme et les muscles intercostaux se contractent. Cela augmente le volume de la cavité thoracique et fait en sorte que l’air est aspiré dans les poumons. Cette phase de la ventilation est appelée inspiration.

L’expiration est lorsque tu fais sortir l’air. Durant cette phase, le diaphragme et les muscles intercostaux se relâchent. Cela fait que l’espace dans la cavité thoracique se rapetisse, l’air est donc expulsé des poumons.

Diaphragme - Animation médicale 3D (2012) par Animated Biomedical (15 s.).

Essaie de prendre une respiration et imagine que tu remplis tes poumons d’air complètement. Si tu poses ta main sur ton estomac, tu peux sentir à quel point il se déplace vers l’extérieur à chaque fois que tu inspires.

Le parcours des échanges gazeux

Observons ce phénomène au niveau microscopique et voyons comment l’oxygène et le dioxyde de carbone sont transportés et utilisés dans nos corps.

Lorsqu’une molécule d’oxygène est inspirée, elle entre dans le système respiratoire par la bouche ou le nez. Elle passe ensuite par la trachée, une bronche, une bronchiole, jusque dans une alvéole. Dans l’alvéole, l’oxygène se diffuse dans le sang dans les capillaires environnants. L’oxygène est maintenant dans le système circulatoire.

Les globules rouges sont des cellules spécialisées qui transportent les gaz dans le sang. Pour se faire, ils utilisent une protéine spécialisée appelée hémoglobine. À l’intérieur des globules rouges, l’hémoglobine se lie avec des molécules d’oxygène et de dioxyde de carbone. Pour y parvenir, l’hémoglobine a besoin d’une molécule de fer. Voilà pourquoi il est important de toujours avoir un apport en fer suffisant dans ton alimentation. Une déficience en fer est appelée anémie. Cela peut causer de la fatigue ainsi que d’autres problèmes de santé plus graves.

Tu sais probablement que lorsque le fer rouille, il prend une couleur rouge orangé. La même chose se produit lorsque l’hémoglobine se lie avec des molécules d’oxygène. C’est pour cette raison que ton sang a l’air rouge.

Qu'est-ce que l'hémoglobine? (23 s.) de LAURENT MARTORELL (2019)

Le savais-tu?

Certains animaux utilisent d’autres molécules comme protéines d’échange gazeux. Les limules possèdent une protéine appelée hémocyanine qui se lie avec le cuivre. C’est ce qui fait que leur sang est bleu. Et ça ne s’arrête pas là! Certains animaux ont du sang mauve ou même transparent!

Attention aux fausses idées!

Il est possible que certaines veines aient l’air bleues à travers ta peau. Mais le sang dans nos veines n’est pas bleu. Cela est dû au fait que seule la lumière bleue peut passer au travers de notre peau et ainsi être perçue par nos yeux!

Les processus formant les échanges gazeux chez les animaux
Les processus formant les échanges gazeux chez les animaux (Source : Parlons sciences utilisant des images de RF via Vecteezy et Vecteezy).

Le sang oxygéné est ensuite envoyé des poumons vers le cœur qui le pompe dans le reste du corps par les artères. Les artères s’étendent dans toutes les parties du corps et se divisent et deviennent de plus en plus petites, jusqu’à ce qu’elles deviennent des capillaires. L’oxygène est alors diffusé du sang vers les cellules du corps qui en ont besoin.

La diffusion est le mouvement des molécules d’une zone à concentration élevée vers une zone à concentration faible. Les zones à concentration élevée sont les endroits où l’on retrouve un grand nombre d’un certain type de molécule. Les zones à concentrations faibles sont l’inverse.

La diffusion de l’oxygène du sang vers les cellules du corps se produit lorsque la concentration de l’oxygène est plus élevée dans le sang que dans les cellules. Puisque les molécules se déplacent des concentrations élevées vers les concentrations faibles, l’oxygène passe du sang vers les cellules.

Dans toute cellule du corps, l’oxygène est utilisé par les mitochondries. Certaines personnes appellent cet organite la centrale électrique de la cellule. Il y a une bonne raison pour cela. Dans les mitochondries, l’oxygène et les sucres sont utilisés pour produire de l’énergie pour le corps. Un des déchets créés par ce métabolisme est le dioxyde de carbone.

Maintenant, suivons le chemin d’une molécule de dioxyde de carbone qui sort du corps. La concentration de dioxyde de carbone dans le sang augmente au fur et à mesure que les cellules en produisent en tant que déchet gazeux. Cela fait en sorte qu’il se diffuse dans le sang. Le dioxyde de carbone est transporté par les globules rouges dans les veines jusqu’aux poumons. Les poumons ont une faible concentration en dioxyde de carbone comparativement au sang. Voilà pourquoi le dioxyde de carbone se diffuse dans les alvéoles des poumons. De là, il passe par les bronchioles, les bronches et la trachée pour sortir du corps par le nez ou la bouche. Il s’agit du processus d’expiration.

Le processus d’absorption d’oxygène et d’évacuation de dioxyde de carbone est ce que nous appelons l’échange gazeux. Tous les animaux procèdent à un échange gazeux lorsqu’ils respirent. Il y a toutefois certaines différences quant aux organes et aux molécules impliqués dans le processus.

Le savais-tu?

Il y a un groupe de minuscules organismes dans les fonds marins qui vivent dans un environnement sans oxygène. L’on croit que les loricifères n’ont pas de mitochondrie et qu’ils possèdent plutôt un type d’organite différent qui peut métaboliser les sucres sans oxygène.

Light microscopy image of the undescribed species of Spinoloricus (Loricifera; stained with Rose Bengal). Scale bar is 50 μm.
Image en microscopie photonique de l’espèce non décrite de Spinoloricus (Loricifera; coloré au rose Bengale). L’échelle graphique est de 50 μm. (Source : Danovaro R., Dell'Anno A., Pusceddu A., Gambi C., Heiner I. & Kristensen R. M. (2010). « The first metazoa living in permanently anoxic conditions ». BMC Biology 8: 30. doi:10.1186/1741-7007-8-30 [CC-BY 2.0] Via Wikimedia Commons).
Image – version textuelle

Une image au microscope d’un minuscule organisme coloré en rose avec une partie supérieure ressemblant à un parapluie fermé, avec une touffe de poils hirsutes dans le bas.

Systèmes respiratoires des animaux non mammifères

Oiseaux

Les poumons des oiseaux sont organisés d’une façon très différente de ceux des humains. Contrairement aux poumons humains, où l’air entre et sort, dans les poumons des oiseaux, l’air circule dans une seule direction. Pour rendre cela possible, les oiseaux possèdent neuf sacs aériens autour des poumons. Les sacs aériens permettent à un flot d’air continu de passer dans les poumons. Il est important de noter que l’échange gazeux ne se produit pas dans les sacs aériens.

Ventilation chez les oiseaux (1 min. 27 s.) de Chantal Proulx (2011)

Pour un cycle respiratoire complet, les oiseaux ont besoin de deux inspirations et deux expirations.

  1. Lors de la première inspiration, l’air passe de la trachée aux sacs aériens arrière.
  2. Lors de la première expiration, l’air passe des sacs aériens arrière aux poumons.
  3. Lors de la seconde inspiration, l’air passe des poumons aux sacs aériens avant.
  4. Lors de la seconde expiration, l’air passe des sacs aériens avant pour sortir par la trachée.
Animation comparant la respiration des humains, des oiseaux et des insectes.
Animation comparant la respiration des humains, des oiseaux et des insectes (Source : Parlons sciences en utilisant une image de Eleanor Lutz [CC BY-NC-ND 4.0]).

 

Le système respiratoire des oiseaux est beaucoup plus efficace que celui des mammifères. Le flot continu d’oxygène est important pour les oiseaux puisqu’ils ont besoin de beaucoup d’énergie pour voler. Un autre avantage des sacs aériens est qu’ils rendent les oiseaux moins lourds!

Reptiles

Le système respiratoire des reptiles est similaire à celui des humains. Une différence majeure est que la plupart des reptiles, mis à part les membres de la famille des crocodiles, n’ont pas de diaphragme. Ils ont évolué en développant des manières différentes de gonfler leurs poumons.

Plusieurs reptiles et amphibiens utilisent les muscles de leur gorge pour « avaler » de l’air lors d’un processus appelé pompage buccal.

Les étapes du pompage buccal
Les étapes du pompage buccal (Parlons sciences utilise une image par ruxi_coroiu via iStockphoto).

Le pompage buccal est composé de quatre étapes.

  1. En premier, l’air entre par les narines. La cavité buccale, qui est connectée à la bouche, se gonfle.
  2. Lorsque la cavité buccale est pleine, les narines se ferment et les voies respiratoires menant aux poumons s’ouvrent. Ces voies respiratoires peuvent se fermer grâce à la glotte. Ensuite, l’animal utilise ses muscles pour pousser l’air dans ses poumons.
  3. Lors de l’expiration, les poumons commencent par se contracter, ce qui pousse l’air dans la cavité buccale. La cavité buccale se gonfle à nouveau.
  4. Finalement, la glotte se ferme, la cavité buccale se contracte et les narines s’ouvrent.

Les tortues utilisent plusieurs manières différentes pour respirer. Certaines bougent leurs pattes pour les faire entrer et sortir de leur carapace pour aider à gonfler et dégonfler leurs poumons. D’autres possèdent de larges muscles qui entourent leurs poumons afin de contrôler le volume de la cavité thoracique. Finalement, certaines espèces aquatiques peuvent même utiliser leur cloaque pour respirer. Le cloaque est l’ouverture externe utilisée pour les excrétions solides et liquides ainsi que pour l’accès au système reproductif. Les mammifères, eux, possèdent des ouvertures différentes pour ces fonctions. La respiration cloacale est surtout utilisée lorsque les tortues hibernent sous l’eau. Ce processus est considéré comme un type de respiration cutanée, soit un échange gazeux qui est effectué à travers la peau.

Le savais-tu?

Les tortues marines peuvent retenir leur respiration jusqu’à 10 heures de temps!

Un autre détail intéressant chez la plupart des reptiles est qu’ils n’ont pas de séparation entre le nez et la bouche. Cela les force à arrêter de respirer pour pouvoir avaler. Comme certains serpents peuvent prendre beaucoup de temps pour avaler leur proie, ils possèdent un prolongement de la trachée vers l’avant de la bouche.

Snake with mouth open showing the extension of the trachea
Serpent avec la bouche ouverte montrant le prolongement de la trachée (Source : Jonathan Vail via Flickr [CC BY 2.0]).

Amphibiens

Les amphibiens sont des animaux qui se sont adaptés pour vivre sur terre tout comme dans l’eau. Ce groupe comprend les grenouilles, les crapauds, les salamandres et les tritons. Les amphibiens sont intéressants parce qu’ils commencent leur vie en tant que larve aquatique avant de passer sur la terre ferme en tant qu’adultes. Au fur à mesure qu’ils vieillissent et passent de la vie aquatique à la vie terrestre, leur système respiratoire change.

Dans leur forme juvénile, les amphibiens ont des branchies qui leur permettent de respirer sous l’eau, comme un poisson. Quand ils se développent et passent à leur forme adulte, les branchies disparaissent et des poumons se développent pour les remplacer. Toutefois, certaines espèces de salamandre restent aquatiques et conservent leurs branchies toute leur vie. La conservation de caractéristiques de l’étatest appelée néoténie.

La néoténie est facilement observable chez l’axolotl, une espèce pour aquarium populaire provenant du Mexique. Au Canada, notre espèce de salamandre la plus grosse est le necture. Il est facile à reconnaître parce qu’il a des branchies rougeâtres de chaque côté de la tête.

Close-up of a mudpuppy showing its frilly, reddish-purple gills just behind its head
Gros plan d’un necture montrant ses branchies rouge violacé ressemblant à des plumes situées juste derrière sa tête (Source : US Fish and Wildlife Service Image Library [domaine public]).

En plus du pompage buccal, les amphibiens utilisent aussi la respiration cutanée. Cela signifie que l’échange gazeux s’effectue à travers de la peau de l’animal. Plusieurs autres animaux ont un échange gazeux cutané, même les humains, mais en petites quantités! Les amphibiens dépendent beaucoup plus de ce processus. La salamandre sans poumons, comme son nom le laisse sous-entendre, utilise exclusivement sa peau pour respirer. Cette méthode de respiration exige d’avoir une peau très mince qui peut rester mouillée, ce que possèdent plusieurs amphibiens. Comme leur respiration s’effectue par leur peau, il vaut mieux ne pas manipuler les amphibiens. Non seulement cela peut affecter leur respiration, mais tu pourrais aussi transférer des germes de ta peau à la leur système respiratoire!

Poissons

Le système respiratoire chez les poissons est très différent des systèmes respiratoires des animaux terrestres. Comme les larves de grenouille et les nectures, les poissons ont des branchies. Les branchies sont similaires aux poumons dans la mesure où elles possèdent des branches qui se divisent. Les arcs branchiaux se divisent pour former les filaments branchiaux. Sur les filaments branchiaux se trouvent les lamelles branchiales; c’est là où se produit l’échange gazeux. Ici, l’oxygène dissout dans l’eau se diffuse dans le sang et le dioxyde de carbone se diffuse dans l’eau.

Chez les poissons osseux, une plaque appelée opercule couvre et protège les branchies fragiles. Chez les poissons cartilagineux, comme les requins et les raies, les branchies sont situées derrières 5 à 7.

Lors de la phase d’inspiration, les poissons aspirent de l’eau par leur valve orale dans leur bouche. De là, l’eau est poussée vers les branchies. À ce moment, la valve operculaire est fermée. Durant la phase d’expiration, la valve orale est fermée et la valve operculaire est ouverte. L’eau passe sur les branchies et sort par l’opercule.

Respiration des poissons
Respiration des poissons (Parlons sciences utilise une image par Aldona via iStockphoto).

Certains poissons ont des muscles spécialisés qui leur permettent de pomper l’eau sur leurs branchies. Les poissons très actifs utilisent un type de ventilation appelé ventilation par poussée. Des déplacements vers l’avant forcent l’eau à se déplacer sur les arcs branchiaux afin que l’oxygène et le dioxyde de carbone puissent être échangés. Les requins sont un type de poisson qui utilise la ventilation par poussée. C’est pourquoi certaines espèces de requins peuvent se noyer s’ils arrêtent de bouger!

Le savais-tu?

Les requins et les raies font entrer l’eau dans leur cavité buccale par une ouverture supplémentaire située derrière l’œil appelée spiracle. Les spiracles sont aussi utilisés par les insectes pour la respiration.

 

En savoir plus

La respiration des animaux (2020)
Cette vidéo de Sciences de la vie présente brièvement les caractéristiques générales des systèmes respiratoires chez les différents groupes d’animaux.

Nos poumons, sources d'inspiration (2013)
Cette vidéo (26 min. 4 s.) de C'est pas sorcier présente le système respiratoire des humains, son fonctionnement et certaines troubles respiratoires.

Au coeur des organes : La respiration (2016)
Cette vidéo (3 min. 40 s.) d’Inserm présente en animation le processus de respiration chez les humains.

La respiration des poissons (2013)
Cette vidéo (2 min. 18 s.) de cédric Hervo présente comment fonctionne système respiratoire des poissons.

Les différents modes de respiration des êtres vivants (2019)
Cette vidéo (6 min. 12 s.) de Sciences, Terre et Vie présente les différents modes respiratoires chez les animaux.

Références

Buccal Pumping (2020). Wikipedia, retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Buccal_pumping

Feder, M.E. and W.W. Burggren (November 1985). Skin Breathing in Vertebrates. Scientific American: 126-142.

Mammalian Systems (n.d.) Biology For Majors II. Lumen Learning, retrieved from https://courses.lumenlearning.com/wm-biology2/chapter/mammalian-systems/

Reptile Structure and Function: Advanced (2016). CK-12, retrieved from https://www.ck12.org/book/ck-12-biology-advanced-concepts/section/16.21/

Systems of Gas Exchange (n.d.) Boundless Biology. Lumen Learning, retrieved from https://courses.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/systems-of-gas-exchange/

Tattersall, G.J. (2007). Skin Breathing in Amphibians. Endothelial Biomedicine: A Comprehensive Reference: 85-91