Lesson Explainer: Système respiratoire humain Biologie • Second Year of Secondary School

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure des poumons et à expliquer ses adaptations pour un échange gazeux efficace.

Nos poumons sont des organes mous et spongieux qui ne peuvent pas bouger seuls. Cela dit, ils sont constamment en mouvement, en faisant entrer et sortir l'air de notre corps pendant toute notre vie. Vos deux poumons sont situés dans la cage thoracique et sont protégés par les os de votre squelette. Le poumon gauche est en fait un peu plus petit que le droit pour laisser la place au coeur légèrement décentré. Non seulement votre cœur et vos poumons sont positionnés à proximité les uns des autres, mais ils ont aussi des fonctions étroitement liées.

Les poumons sont le principal organe du système respiratoire. Le système respiratoire est un système d’organes composé de plusieurs organes travaillant ensemble pour réaliser la fonction vitale de l’échange gazeux. Les échanges gazeux dans le corps humain consistent à absorber l'oxygène de l'atmosphère et à éliminer l'excès de dioxyde de carbone du sang. Les poumons sont le principal organe responsable de cet échange gazeux, et ils travaillent en conjonction avec d’autres organes pour accomplir cette fonction.

Les poumons sont entourés sur le devant, l’arrière et les côtés par une cage d’os plats et courbés appelés les côtes. Entre les côtes se trouvent des couches musculaires appelées les muscles intercostaux. Inter- est un préfixe qui signifie « entre », et costal est un mot qui désigne les « côtes ».

Sous les poumons se trouve un grand muscle fin en forme de dôme appelé le diaphragme, que vous pouvez voir sur la figure 1. Le diaphragme sépare les côtes et les autres organes de la cage thoracique de l’estomac, du foie et des autres organes de la cavité abdominale.

Les poumons sont en lien avec l’atmosphère externe par les orifices du nez et de la bouche, comme vous pouvez le voir sur la figure 2. Le nez et la bouche sont reliés à l'arrière de la gorge par un passage appelé le pharynx. Lorsque l'air passe du nez au pharynx, il est humidifié et les particules étrangères sont filtrées. Comme nous le verrons plus loin dans cette fiche explicative, il est très important que l’air soit humide lorsqu’il pénètre dans les poumons pour permettre les échanges gazeux.

La base du pharynx s'ouvre sur le larynx et l'œsophage, qui transportent la nourriture et l'eau vers l'estomac lorsque vous avalez. Le larynx remplit des fonctions importantes lors de la déglutition en empêchant l'aspiration de nourriture. Le larynx est également considéré comme notre appareil vocal, car il contient nos cordes vocales importantes à la production de sons ou du chant.

Le larynx est la partie supérieure de la trachée, qui transporte l'air dans et hors des poumons lorsque vous respirez. L’œsophage et la trachée sont parallèles et ont des structures très différentes. Alors que l'œsophage est constitué de muscles qui se contractent par vagues pour faire descendre les aliments, la trachée est un tube plus rigide constitué de cartilage, comme notre nez, afin qu'il ne s'affaisse pas et reste ouvert à tout moment.

Pour plus de souplesse, le cartilage de la trachée est disposé en une pile d’anneaux en forme de C. À l’ouverture de chaque anneau en C, des faisceaux de muscles peuvent se contracter pour serrer l’anneau, ce qui est nécessaire lorsque vous toussez par exemple. Vous pouvez voir cette disposition dans le schéma en coupe transversale illustré à la figure 2. La surface interne de la trachée est recouverte d'épithélium respiratoire, une muqueuse qui forme des cils à sa surface et contient des glandes sécrétant du mucus. Il sert à la fois à humidifier et à capturer les particules ou les agents pathogènes dans l’air qui entre. Les cils battent constamment pour déplacer le mucus vers le pharynx, où il peut être avalé et éliminé.

Plus bas dans la poitrine, comme vous pouvez le voir sur la figure 3, la trachée se divise en une branche gauche et une branche droite appelées les bronches. Les bronches attachent la trachée à chaque poumon. À l'intérieur des poumons, les bronches se ramifient en vaisseaux de plus en plus petits appelés les bronchioles.

Au bout des bronchioles se trouvent de petites structures en forme de sac appelées des alvéoles, qui servent de site à l’échange gazeux dans les poumons. Étonnamment, il y a environ 600 millions d’alvéoles dans chaque poumon humain.

Exemple 1: Identifier les structures du système respiratoire dans un schéma

Le schéma ci-dessous illustre des poumons humains, dont certaines parties sont agrandies.

1. Quel nombre indique la trachée ? 
2. Quel nombre indique les alvéoles ? 

Réponse

Cette question nous présente un schéma anatomique du système respiratoire humain et nous demande d’identifier deux parties, la trachée et les alvéoles. Pour répondre à cette question, nous devons d’abord rappeler les fonctions de la trachée et des alvéoles et décrire leurs structures. Ensuite, nous annoterons les parties du schéma qui correspondent à notre description.

La trachée est un tube rigide qui relie les poumons à la bouche et au nez. Il s’agit d’un grand passage tubulaire qui transporte l’air en mouvement. Si vous appuyez votre main sur l’avant de votre cou, vous sentirez facilement votre trachée. Dans la poitrine, près des poumons, la trachée se ramifie en deux bronches, qui à leur tour se ramifient en passages de plus en plus petits appelés les bronchioles.

Les alvéoles sont de minuscules complexes de tissus situés à l’extrémité de chacune des plus petites bronchioles. Elles ressemblent à des bulles de savon ou à une grappe de raisin. Les alvéoles sont des cavités à paroi mince remplies d’air et sont le site de l’échange gazeux dans les poumons. Elles sont entourées de capillaires. Les capillaires sont des vaisseaux sanguins qui ont aussi des parois extrêmement minces. Le dioxyde de carbone sanguin diffuse dans les alvéoles pour être éliminé du corps lorsque nous expirons. L’oxygène de l’air est diffusé dans le sang au niveau des alvéoles pour être absorbé par les globules rouges, qui le transportent dans tout le corps.

Voici le schéma de la question. Les quatre structures indiquées ont été nommées.

D’après ces informations, nous pouvons voir que le numéro 4 pointe vers la trachée et le numéro 2 vers les alvéoles.

Voyons maintenant, à l'aide de la figure 4, les mécanismes responsables du flux d'air entrant et sortant de notre système respiratoire.

Lorsque nous inspirons, les muscles intercostaux se contractent, soulevant les côtes vers le haut. Le diaphragme se contracte également, ce qui l’aplatit et le tire vers le bas. Les poumons mous et spongieux s’étirent et s’étendent puisque l’espace dans la cage thoracique s’agrandit. Rappelez-vous que les gaz circulent des zones de haute pression vers les zones de basse pression, tout comme les liquides. À mesure que les poumons se dilatent, leur volume augmente, faisant baisser la pression à l’intérieur. Comme la pression à l'intérieur des poumons est maintenant inférieure à celle de l'extérieur du corps, l'air provenant de l'extérieur du corps circule dans le nez, le long de la trachée puis dans les poumons. Ce mouvement est appelé inhalation.

Lorsque nous expirons, les muscles intercostaux se détendent, abaissant les côtes vers le bas et vers l’intérieur. Le diaphragme se détend également, ce qui le pousse de nouveau vers le haut. Cela rend les poumons plus compacts à mesure que la cage thoracique se rétrécit. Les poumons rétrécissent en diminuant leur volume, ce qui augmente leur pression intérieure. Étant donné que la pression dans les poumons est maintenant plus élevée que celle de l’air ambiant, l’air est amenée à sortir des poumons, à passer dans le haut de la trachée et à s’échapper dans l’atmosphère par le nez. Ce mouvement est ce que nous appelons l’exhalation. Si vous placez votre main contre le bas de votre poitrine, vous pouvez sentir votre cage thoracique se dilater et se contracter au fur et à mesure que vous inspirez et expirez profondément.

Exemple 2: Décrire le mécanisme de l’exhalation

Le schéma ci-dessous illustre des poumons lorsqu’une personne exhale (expire).

1. Complétez la phrase en utilisant « vers le haut » ou « vers le bas » : Lorsqu’une personne expire, le diaphragme se déplace .
2. Complétez la phrase en utilisant « vers l’intérieur » ou « vers l’extérieur » : Lorsqu’une personne expire, les côtes se déplacent .
3. Complétez la phrase : À mesure qu’une personne expire, le volume de la cage thoracique et la pression de l’air dans les poumons .

Réponse

Les poumons sont des organes mous et spongieux qui ne peuvent pas bouger seuls. Lorsque nous exhalons ou expirons, notre système respiratoire et les structures associées agissent ensemble pour expulser l’air de nos poumons. Pour que cela se produise, les poumons doivent rétrécir en diminuant de volume, ce qui augmente leur pression intérieure. L’air se déplace des zones de haute pression vers les zones de plus basse pression. Lorsque les poumons rétrécissent, leur pression intérieure devient plus élevée que celle de l’air à l’extérieur du corps. Cela pousse l’air hors des poumons puis vers le haut de la trachée, et sort dans l’atmosphère par le nez. Pour que les poumons rétrécissent, la cage thoracique doit devenir plus petite, ce qui change la forme des poumons à l’intérieur. Pour que la cage thoracique rétrécisse, les muscles intercostaux entre les côtes se détendent, abaissant les côtes vers le bas et vers l’intérieur. Le diaphragme se détend également, ce qui l’amène à monter. Cette action contracte la cage thoracique, ce qui rétrécit les poumons, augmente la pression et nous fait expirer.

1. Lorsqu’une personne expire, le diaphragme se déplace vers le haut.
2. Lorsqu’une personne expire, les côtes se déplacent vers l’extérieur.
3. À mesure qu’une personne expire, le volume de la cage thoracique diminue et la pression de l'air dans les poumons augmente.

Les poumons sont eux-mêmes des organes complexes qui sont adaptés pour diffuser l’oxygène de l’air rapidement et efficacement dans le sang et pour diffuser le dioxyde de carbone du sang rapidement et efficacement dans l’air. Mais pourquoi cet échange de gaz est-il nécessaire ? Eh bien, les cellules de notre corps ont besoin d’oxygène pour produire de l’énergie cellulaire, dans un processus appelé respiration cellulaire. Cette énergie cellulaire est utilisée pour assurer toutes les fonctions des cellules, ce qui les maintient en vie et nous permet à notre tour de rester en vie. La respiration cellulaire utilise beaucoup d’oxygène et produit du dioxyde de carbone comme sous-produit de la réaction. Si ce dioxyde de carbone s’accumulait dans notre corps, il serait très nocif, il doit donc être éliminé de notre corps en tant que déchet.

L’air qui nous entoure est un mélange de gaz, comme le montre la figure 5. Il se compose d’environ d’azote, d’oxygène, et de dioxyde de carbone. Le restant est un mélange d’argon, de vapeur d’eau et d’autres gaz. Bien que l’air que nous respirons soit principalement constitué d’azote, il contient une concentration relativement élevée d’oxygène et une concentration extrêmement faible de dioxyde de carbone. Ceci est important dans le processus de respiration car l’échange gazeux dans nos poumons se produit par diffusion.

Vous vous souvenez peut-être que la diffusion est le mouvement de molécules des zones de forte concentration vers des zones de faible concentration. La différence de concentration est appelée un gradient de concentration, et les molécules se déplacent toujours dans le sens de leur gradient de concentration pendant la diffusion. Ce concept est illustré graphiquement à la figure 6. La diffusion est un processus passif qui se produit de manière spontanée, sans apport d’énergie nécessaire.

Lorsque nous inspirons, de l’air riche en oxygène pénètre dans les poumons. Le sang qui entre dans les poumons contient une très faible concentration d’oxygène et une concentration relativement élevée de dioxyde de carbone. Comme la concentration d’oxygène dans l’air est plus élevée que celle dans le sang, l’oxygène diffuse dans le sens du gradient de concentration, de l’air au sang.

De plus, la concentration de dioxyde de carbone dans le sang est plus élevée que celle dans l’air des poumons. Le dioxyde de carbone se diffuse alors dans le sens du gradient de concentration, hors du sang. Lorsque nous expirons, le dioxyde de carbone qui diffuse du sang est éliminé du corps sous forme de déchet.

Cet échange gazeux, d’oxygène entrant dans le sang et de dioxyde de carbone sortant, se produit dans les poumons grâce à des petites structures spécialisées appelées des alvéoles. Chacune des très petites bronchioles dans les poumons se termine par un groupe de sacs ressemblant à des bulles, les alvéoles. Ces alvéoles sont faites de tissu épithélial extrêmement fin. Les alvéoles sont presque complètement entourées à l’extérieur par de minuscules vaisseaux sanguins appelés capillaires. Ces vaisseaux sanguins ont aussi des parois extrêmement fines. L’épaisseur de la barrière air-sang formée par les cellules dans les parois des alvéoles et des vaisseaux sanguins est d’environ 2 millionièmes de mètre. Le diamètre des capillaires est si petit qu’à l’intérieur, les globules rouges, ou les érythrocytes, doivent passer les uns derrière les autres.

Les parois des capillaires et des alvéoles sont tellement minces que le dioxyde de carbone sanguin peut diffuser rapidement. Pour cette même raison, l’oxygène diffuse efficacement dans le sang, où il est absorbé par les globules rouges. Les globules rouges possèdent une protéine spéciale appelée l’hémoglobine, qui les aide à transporter l’oxygène des poumons vers les tissus de l’organisme qui en ont besoin.

Outre les parois minces qui raccourcissent la distance de diffusion, les alvéoles ont d’autres adaptations qui permettent le transfert efficace des gaz entre le sang et l’atmosphère.

Premièrement, les alvéoles sont très nombreuses. Leur structure en forme de bulle augmente la surface de contact pour les échanges gazeux dans les poumons. Si vous étaliez les surfaces de toutes les alvéoles des deux poumons, elles feraient la taille d’un terrain de tennis. Une surface aussi large permet une plus grande diffusion des gaz.

Ensuite, le sang dans les capillaires entre et sort constamment des poumons à chaque battement de votre cœur. Le sang qui a été oxygéné est rapidement retiré des poumons et remplacé par du sang désoxygéné. Cela permet au gradient de concentration entre le sang et l’air de rester aussi élevé que possible. Ce gradient de concentration élevé entre le sang et l'atmosphère augmente la vitesse de diffusion des gaz dans et hors du sang.

Enfin, l’intérieur de nos voies respiratoires et la surface interne de nos poumons sont humides afin de saturer l’air en vapeur d’eau. Cette vapeur d’eau sert à protéger la très fine surface des alvéoles. Elle l’empêche de se dessécher et diminue la surface de tension, ce qui empêche les alvéoles de s’affaisser. Cette vapeur d’eau est partiellement exhalée, ce qui fait que notre corps perd un quart de notre consommation d’eau quotidienne par la respiration.

Les cellules de notre corps ont constamment besoin d’oxygène et produisent constamment du dioxyde de carbone pour la respiration cellulaire. L’action des poumons permet à notre corps d’éliminer efficacement les déchets de dioxyde de carbone générés par nos cellules et de se réapprovisonner en oxygène aussi rapidement qu’il est utilisé.

Passons en revue ce que nous avons appris sur le système respiratoire humain dans cette fiche explicative.