Échange de gaz

Diffusion et solubilité des gaz

La vitesse de diffusion des gaz dépend de la surface, du gradient de concentration, de la perméabilité et de l'épaisseur de la membrane. La diffusion des gaz se produit entre deux surfaces proches. Par exemple, cela se produit entre les alvéoles et les capillaires dans les poumons.

$Diffusionrate\propto \frac{Surfacearea\times Concentrationgradient\times Membranepermeability}{Membranethickness}$

Pression partielle et échanges gazeux

La pression partielle désigne la pression exercée par un gaz particulier dans le mélange de gaz et est utilisée pour prédire le mouvement des gaz. Le gaz se déplacera d'une zone de pression partielle élevée vers une zone de pression partielle plus faible car plus la différence entre les pressions partielles des deux milieux est élevée, plus le mouvement des gaz est rapide.

Poumon de mammifère dans le processus d'échange

La trachée est une voie respiratoire flexible soutenue par les anneaux de cartilage, ce qui l'empêche de s'effondrer lorsque la pression de l'air à l'intérieur diminue pendant l'inspiration. La trachée est divisée en deux divisions appelées bronches. Les bronches se divisent ensuite en une série de bronchioles qui se terminent par des alvéoles - de minuscules sacs d'air. La membrane alvéolaire est la surface d'échange des gaz.

Échange de gaz dans les poumons

Lorsque tu inspires de l'oxygène, celui-ci pénètre dans les poumons et se rend jusqu'aux alvéoles. Les cellules qui tapissent les alvéoles et les capillaires qui transportent le sang sont en contact étroit les uns avec les autres. L'épaisseur de la barrière est en moyenne de 1 micron - soit 1/10 000 de centimètre ! L'oxygène passe à travers la barrière dans le sang au niveau des capillaires. À son tour, le dioxyde de carbone passe dans les alvéoles à partir du sang et est expiré.

L'oxygène passe des poumons aux veines pulmonaires, qui amènent l'oxygène au côté gauche du cœur, où il est pompé vers le reste du corps. Le sang désoxygéné retourne du côté droit du cœur et est pompé par l'artère pulmonaire vers les poumons.

Fig. 1 - Le système d'échange de gaz chez l'homme

Les alvéoles présentent des adaptations qui facilitent l'efficacité des échanges gazeux. Tu vas apprendre à connaître quatre adaptations centrales.

1. Grande surface - une plus grande surface permet un échange gazeux plus efficace.
2. Lesparois des alvéoles n'ont qu'une seule cellule d'épaisseur - cela signifie qu'elles sont en contact extrêmement étroit avec les capillaires.
3. Lesparois alvéolaires sont humides - la couche d'humidité permet aux gaz de se dissoudre plus rapidement.
4. Lesalvéoles sont bien irriguées par le sang - en raison du contact étroit avec les capillaires, les échanges gazeux sont plus rapides et plus efficaces.

Fig. 2 - Mouvement des gaz entre les alvéoles et les capillaires

Processus d'échange de gaz dans les organismes unicellulaires

Les organismes unicellulaires ont un rapport surface/volume important qui permet une diffusion efficace des gaz. L'oxygène se diffuse dans la cellule et le dioxyde de carbone en sort, suivi de la respiration. La membrane est entièrement perméable pour faciliter cet échange. La distance entre le milieu interne et le milieu externe est suffisamment petite, et la surface est suffisamment grande pour les besoins de la cellule. Aucune structure spécialisée n' est nécessaire pour l'échange de gaz.

Fig. 3 - Échange gazeux simple dans un organisme unicellulaire

Processus d'échange de gaz chez les insectes

Les insectes possèdent un réseau interne de tubes appelés trachées qui se divisent en trachéoles plus petites (les tubes terminaux). Il n'y a qu'une courte voie de diffusion à partir des trachéoles - l'oxygène est amené directement dans les tissus respiratoires.

Les gaz se déplacent de trois façons :

1. Le long du gradient de diffusion - l'oxygène est utilisé pendant la respiration cellulaire, ce qui fait chuter la concentration et augmenter le gradient, ce qui entraîne la diffusion de l'oxygène de l'atmosphère. À son tour, le dioxyde de carbone augmente et se diffuse le long du gradient de concentration - dans l'atmosphère.
2. Transport de masse - la contraction des muscles peut comprimer l'air à l'intérieur et à l'extérieur, provoquant un mouvement de masse, ce qui accélère le processus d'échange.
3. Lesextrémités des trachéoles sont remplies d'eau - lors d'activités importantes, les muscles peuvent se mettre à respirer en anaérobie, comme en aérobie. La respiration anaérobie produit du lactate qui abaisse le potentiel hydrique des cellules musculaires. L'eau commencera à descendre le gradient par osmose dans les cellules musculaires. L'eau contenue dans les trachéoles réduira son volume, et la diffusion finale des gaz se fera en phase gazeuse plutôt que liquide. La diffusion sera plus rapide.

Processus d'échange de gaz chez les poissons

Les poissons ont des branchies pour faciliter les échanges gazeux en raison de leur faible rapport surface/volume (similaire aux poumons des mammifères). Les branchies sont constituées de filaments branchiaux. Les filaments branchiaux sont empilés (imagine que tu empiles tes cahiers, comme ça). Ils contiennent des lamelles branchiales qui forment un angle droit avec les filaments. Elles augmentent la surface d'échange des gaz.

As-tu remarqué que le mouvement de l'eau sur les branchies et le flux sanguin se font dans des directions opposées sur la figure 6 ? Il s'agit du système d'échange à contre-courant.

Système d'échange à contre-courant

Le système d'échange à contre-courantpermet au sang d'être bien chargé en oxygène lorsqu'il rencontre l'eau. La diffusion se produira et l'oxygène passera dans le sang. Le sang contenant peu d'oxygène rencontrera l'eau qui en contient le plus. Jette un coup d'œil à la figure 7 ; que se passerait-il si le flux était parallèle au lieu d'être à contre-courant ? Le sang absorberait un pourcentage beaucoup plus faible de 50 % de l'oxygène disponible, c'est pourquoi les poissons préfèrent s'en tenir au flux à contre-courant, n'est-ce pas ?

Processus d'échange de gaz dans la feuille d'une plante

L'échange de gaz dans la feuille se produit dans la phase gazeuse plus rapidement que dans l'eau. Les cellules vivantes sont en contact étroit avec la source d'oxygène et de dioxyde de carbone (l'air).

Les feuilles, en tant que principales surfaces d'échange de gaz, possèdent des adaptations permettant une diffusion rapide:

• Stomates - minuscules pores à la surface de la feuille, qui permettent un contact étroit de l'air avec les cellules.
• Desespaces d'air interconnectés dans tout le m ésophylle (le tissu terrestre interne situé entre les deux couches de cellules épidermiques de la feuille) - les gaz peuvent rapidement entrer en contact avec le mésophylle.
• Grande surface

Facteurs influençant la vitesse de diffusion des gaz

• L'épaisseur de la membrane - plus les membranes sont fines, plus la diffusion sera rapide. Par exemple, la barrière entre les alvéoles et les capillaires n'a qu'une seule cellule d'épaisseur dans les poumons.
• La surface de la membrane - plus la surface est grande, plus l'échange de gaz peut se faire. Par exemple, les poissons contiennent des empilements de filaments et de lamelles branchiales, ce qui augmente la surface d'échange.
• La différence de pression à travers la membrane - plus il y a de pression, plus les gaz se diffusent. Par exemple, le transport de masse chez les insectes, les contractions musculaires peuvent pousser les gaz.
• Gradient de diffusion élevé - par exemple, système d'échange à contre-courant chez les poissons.