Appareil respiratoire : échanges gazeux

Comment le dioxygène de l'air passe-t-il dans le sang, et comment le dioxyde de carbone en est-il éliminé ?

1 L'idée

La fonction respiratoire remplit deux rôles vitaux : approvisionner les cellules de l'organisme en dioxygène (O₂) et éliminer le dioxyde de carbone (CO₂) qu'elles produisent. Ces échanges entre l'air et le sang ont lieu au niveau des alvéoles pulmonaires, à l'intérieur des poumons.

Il faut distinguer la ventilation (mouvements d'entrée et de sortie de l'air) des échanges gazeux (passage des gaz entre l'air et le sang) : ce sont deux phénomènes complémentaires mais distincts.

2 L'appareil respiratoire

Lors de l'inspiration, l'air suit le trajet suivant :

Fosses nasales — filtrent, réchauffent et humidifient l'air entrant.
Trachée — conduit rigide qui achemine l'air vers les poumons.
Bronches — deux conduits (un par poumon) issus de la trachée, qui se subdivisent en bronchioles.
Alvéoles pulmonaires — minuscules sacs en grappe au bout des bronchioles, entourés de capillaires sanguins : c'est ici que se produisent les échanges gazeux.

Le diaphragme (muscle en dôme sous les poumons) et les muscles intercostaux font varier le volume de la cage thoracique : il augmente à l'inspiration (l'air entre) et diminue à l'expiration (l'air sort).

3 Chiffres clés

Alvéoles par poumon

$\approx 300 \text{ millions}$

Surface totale d'échange

$\approx 100 \text{ m}^2 \text{ (≈ un terrain de tennis)}$

Fréquence respiratoire (repos)

$12 \text{ à } 20 \text{ cycles/min}$

Volume courant (repos)

$\approx 0{,}5 \text{ L par cycle}$

4 Comparer l'air inspiré et l'air expiré

Teneurs en gaz (valeurs moyennes)

Air inspiré : $\approx 21\%$ de O₂ et $\approx 0{,}04\%$ de CO₂.

Air expiré : $\approx 16\%$ de O₂ et $\approx 4\%$ de CO₂.

L'O₂ a diminué ($21\% \to 16\%$) : le sang en a capté dans les alvéoles.

Le CO₂ a augmenté ($0{,}04\% \to 4\%$) : le sang en a rejeté dans l'air alvéolaire.

Le diazote N₂ ($\approx 79\%$) est inchangé : l'organisme ne l'utilise pas.

Méthode — décrire les échanges gazeux alvéolaires

Identifier les deux milieux : l'air alvéolaire et le sang des capillaires qui entourent chaque alvéole.
Rappeler les deux adaptations des alvéoles : paroi très fine et réseau dense de capillaires sanguins.
O₂ : l'air alvéolaire est riche en O₂ ; le sang arrivant est pauvre en O₂ → l'O₂ passe de l'air vers le sang.
CO₂ : le sang arrivant est riche en CO₂ ; l'air alvéolaire en est pauvre → le CO₂ passe du sang vers l'air.
Conclure : le sang repart riche en O₂ et pauvre en CO₂ vers le cœur, puis vers toutes les cellules.

Erreurs fréquentes

Ventilation ≠ échanges gazeux : la ventilation déplace l'air ; les échanges gazeux désignent le passage des gaz entre l'air et le sang.
L'air expiré contient encore $\approx 16\%$ d'O₂ (pas 0 %) : le sang ne capte qu'une partie de l'O₂ disponible.
Le CO₂ va du sang vers l'air alvéolaire, jamais dans l'autre sens lors des échanges pulmonaires.
Les alvéoles ne sont pas les poumons : ce sont des structures microscopiques situées à l'intérieur des poumons.