Stratégies respiratoires Flashcards
« Définitions » de la respiration (à différents niveaux)
• Organisme: Grande fonction chez les organismes pluricellulaires aérobies consistant en une séquence d’événements qui résultent en un échange d’O2 et de CO2 entre l’environnement externe d’un animal et les mitochondries de ses cellules
- Respiration externe: échanges gazeux au niveau de la surface respiratoire
- Respiration interne: échanges gazeux au niveau des tissus
- Organe : Activités de support de la respiration cellulaire (ex: ventilation)
- Cellulaire = Respiration mitochondriale (Respiration vraie)
Importance de l’oxygène (Rappels)
- Besoins énergétiques couverts par oxydation des nutriments
- Formation de: ATP + CO2 + H2O
Oxygène & Milieux terrestres vs. aquatiques
- En milieu aquatique
> O2 diffuse - En milieu terrestre
> O2 doit se dissoudre, puis diffuser
Diffusion de l’O2
Transport de molécules d’O2 par diffusion :
- Rapide sur courte distance
- Lent sur longue distance
–> nécessité de suppléer au transport par diffusion chez les organismes de plus grande taille
Respiration & Taille du corps
V augmente beaucoup plus vite que S !
> Ratio S /V diminue quand la taille augmente
> nécessité de suppléer au transport par diffusion chez les organismes de grande taille = Circulation volumique
Taux de diffusion d’un fluide (Fick):
dQ/dt = D. S. (dC/dx)
dQ/dt = taux de diffusion (quantité de substance déplacée par unité de temps) D = coefficient de diffusion (pour substance, médium et T donnés) S = surface de la membrane d’échange gazeux dC/dx = gradient de pression (différence de pression par unité de distance)
- -> Seule variable aps constance est S
- -> pour D et dC/dx fixes, la diffusion de l’oxygène est reliée à la surface (S) disponible pour les échanges gazeux
Loi de Dalton
Chaque gaz dans un mélange gazeux contribue à la pression totale du mélange en proportion de son nombre de molécules dans le mélange = Pression partielle
Loi des gaz parfaits (réarrangée)
Px = (nx/V). R. T
Px = pression partielle du gaz X (Pascal) V = volume (m3) nx = nombre de moles de molécules du gaz X R = constante universelle des gaz T = température absolue (kelvin)
(nx/V) = [Cx]
> Concentration du gaz
Loi de Henry
[Cx] = Sx . Px Cx = Concentration dissoute du gaz X Sx = Coefficient de solubilité du gaz X Px = Pression partielle du gaz X en solution
–> Gaz dissout en solution
P air X = P eau X (à l’équilibre)
Diffusion des gaz (Rappels)
Loi de diffusion des gaz : les gaz diffusent selon le gradient de pression partielle
> diffusion d’un milieu ayant une pression partielle relativement plus élevée vers un milieu avec une pression partielle plus faible
> diffusion ne se dirigeant pas nécessairement dans la direction du gradient de concentration
Application : Écologie du dytique La bulle est un peu vieille et 50% de l’O2 a été consommé, diminuant ainsi la pression partielle PO2 et la concentration [CO2] à 50% de celle de l’air
> Que va-t-il arriver à O2 de la bulle ?
Bulle avec 50% d’O2 consommée durant l’activité du dytique :
La pression partielle O2 ↓ jusqu’à la concentration de 50% de celle de l’air (cf. énoncé de l’exercice)
> Cbulle ~ 4.3 mmol/L
Pressions partielles dans l’eau :
La pression partielle d’O2 est caractéristique de la solubilité dans l’eau pour les conditions de l’expérience (So2 [20°C] = 1.4)
> Ceau ~ 0.3 mmol/L
- -> O2 passe de l’eau à la bulle CONTRE le gradient de concentration mais AVEC le gradient de pression
- -> La bulle sert de « branchie »
Loi de Graham
dQ/dt proportionnel à Sx / (M)½
dQ/dt = taux de diffusion (quantité de substance déplacée par unité de temps) Sx = Coefficient de solubilité du gaz X M = masse moléculaire
–> dQ/dt supérieur en solution pour CO2 comparé à O2
CO2 plus lourd, donc en milieu liquide plus de CO2 que d’O2.
Inverse dans l’air
Coefficient de solubilité Sx → Gaz dans l’eau distillée à 0°C à 1 atm
Pour une même pression, il y a ~25 fois + de CO2 que d’O2 en solution
Solubilité des gaz
- Pour une même pression, les gaz en solution sont plus solubles à faible température
- Pour une même pression, les gaz en solution sont plus solubles à faible salinité
Contraintes influant l’utilisation et la diffusion d’O2 (Rappels)
- Le temps de diffusion augmente avec la distance
- Une plus grande surface d’échange gazeux permet une plus grande diffusion
- La surface diminue par rapport au volume lorsque la taille augmente
- -> Une surface d’échange sera plus efficace pour diffuser l’O2 si :
- mince
- grande surface
Les demandes en O2 ↑ en proportion du volume V (=masse) de l’organisme
Mais le ratio S/V ↓ avec la taille qui ↑
La capacité de diffusion d’O2 ( proportionnel à S) augmente moins vite que la demande en O2 (proportionnel à V) quand la taille augmente
Plusieurs stratégies possibles pour optimiser l’apport d’O2:
1- Minimiser le taux métabolique par gramme de tissu
2- Maximiser S pour un V donné
3- Utiliser une autre méthode que la diffusion pour obtenir de l’O2
Diminuer le taux métabolique par gramme de tissu
Unicellulaire de plus grande masse ont tendance à avoir un taux métabolique plus petit
Limitation
> Taille maximale d’un unicellulaire sphérique est de ~ 1 mm
Maximiser S pour un V donné
Organismes qui ↑ S/V
Exemple des vers :
–Nématodes terriens (7 mm)
–Nématodes marins (5 cm)
–Nematomorpha (1 m)
–> les quelques mm d’épaisseur permettent la diffusion de l’O2
Utiliser une autre méthode pour obtenir de l’O2
Utilisation du flux volumique chez les grands organismes
> Diffusion pas assez efficace pour les organismes de plus grande taille
> Flux volumique: mouvement de fluide résultant d’un gradient de pression (ou de température)
3 stratégies alternatives possibles pour les grands organismes :
- 1- Flux volumique externe puis Diffusion → [F +D]
- 2- Diffusion puis Flux volumique interne (transport gazeux) puis Diffusion → [D + F + D]
- 3- Flux volumique externe puis Diffusion puis Flux volumique interne (transport gazeux) puis Diffusion → [F + D + F + D]
Flux volumique externe + Diffusion = [F +D]
Créer un mouvement du médium externe dans une cavité corporelle par flux volumique
Dans l’eau
•Eau contenant de l’O2 entre dans la cavité par flux volumique
•O2 diffuse de l’eau de mer jusqu’aux cellules
Dans l’air
•L’air contenant de l’ O2 entre dans les trachées du corps par les stigmates
Flux volumique (+ aussi parfois diffusion)
•O2 se dissout dans les fluides extra- cellulaires (=EC) (= étape supplémentaire)
•O2 diffuse du fluide EC jusqu’aux cellules
Diffusion + Flux volumique interne + Diffusion =[D + F + D]
Diffusion de gaz à travers la surface corporelle puis transport gazeux interne par système circulatoire
Dans l’eau
•Eau contenant de l’O2 diffuse à travers l’épiderme
•O2 est transporté par flux volumique par le système circulatoire
•O2 diffuse dans les tissus
Dans l’air
•O2 contenu dans l’air se dissout (= étape supplémentaire)
•O2 diffuse à travers l’épiderme
•O2 est transporté par flux volumique par le système circulatoire
•O2 diffuse dans les tissus
Contraintes associées à cette stratégie
• Peau très mince diminuant la distance de diffusion de l’O2
> Fragile
> Vulnérable (aux interactions inter/intra-individuelles: prédation, combat)
• Peau toujours humide facilitant la dissolution de l’O2
> confinés à certains milieux = habitats humides
> ne peuvent pas faire face à la sécheresse
–> Organismes humidiques
Exemple de respiration cutanée dans l’eau
la grenouille du lac Titicaca vit dans les profondeurs du lac du même nom
obtient son oxygène par diffusion
n’a pas de poumons → n’a pas besoin de venir à la surface du lac (100% aquatique)
Adaptations: Série de capillaires qui se rendent dans les plis de l’épiderme
Minimise la distance de diffusion jusqu’au système circulatoire
Maximise le ratio S/V favorisant la diffusion
Exemple de respiration cutanée dans l’air
- Gobies « mudskippers » (Téléostéens, famille des gobidés)
- Salamandres (Amphibiens, famille des plethodontidés)
En dehors de l’eau, ils utilisent : – la muqueuse branchiale – la respiration cutanée – la muqueuse buccale – la respiration cutanée
–> réseau de capillaires sous-cutanés très développé
Flux volumique+Diffusion+Flux volumique+Diffusion[F+D+F+D]
Diffusion de gaz à travers une surface respiratoire spécialisée puis transport gazeux interne par système circulatoire
Organe respiratoire spécialisé
• Échanges gazeux confinés à une région localisée du corps mais avec une surface maximisée
- Branchies
- Poumons
• Membrane d’échange gazeux avec une grande surface, humide et mince
• Reste du corps de l’organisme généralement recouvert d’une protection épaisse et imperméable
• Avantage évolutif par rapport aux organismes humidiques :
- moins fragiles
- colonisation d’autres environnements
Les branchies
= Évaginations de la surface corporelle
> Externes ou internes
> Membrane d’échange gazeux avec une grande surface, humide et mince
- Protection variable
- Dépense d’énergie pour ventiler
- Contrôle de la direction du médium par la ventilation
> Habituellement dans l’eau (= milieu aquatique)
Les poumons
= Invaginations de la surface corporelle
> Dans une cavité interne
> Membrane d’échange gazeux avec une grande surface, humide et mince
- Protection
- Dépense d’énergie pour ventiler
- Contrôle de la direction du médium par la ventilation
> Habituellement dans l’air (= milieu terrestre)
Ventilation
• Définition & Importance
>Mouvement du médium externe par flux volumique sur l’organe respiratoire
> ↓ la formation d’une couche limite statique qui deviendrait pauvre en oxygène
> Nécessaire si l’organe respiratoire est interne
3 types de ventilation :
- Non-directionnelle: Le médium contenant l’O2 s’écoule auprès de la surface d’échange gazeux sans patron particulier
- Bidirectionnelle: Le médium contenant l’O2 entre et sort dans la chambre respiratoire par le même point
- Unidirectionnelle: Le médium contenant l’O2 entre dans la chambre respiratoire par un point et sort par un autre
• Organisation de la surface d’échange
Le type de ventilation utilisé par un animal est en lien direct avec l’anatomie de sa surface respiratoire et l’environnement dans lequel il évolue
> le type de ventilation n’est pas affecté par un changement de disponibilité d’O2
> c’est le patron de ventilation qui est affecté par un changement de disponibilité d’O2
Principaux patrons de ventilation
Voir diapo 31
Perfusion
• Définition & Importance
> Écoulement sanguin dans les capillaires irriguant la surface respiratoire
> orientation du mouvement du medium externe et du sang
> système circulatoire qui déplace les fluides contenant O2 (ex: sang) par flux volumique à travers le corps
> Importance égale à la ventilation pour l’efficacité des échanges gazeux
Perfusion - Ventilation non directionnelle avec surface respiratoire mince
– Médium dans une orientation / Sang dans une autre
– Distance de diffusion faible
> Pression partielle d’oxygène (= Po2) sanguine ↑ à mesure que le sang passe près de la surface respiratoire (Po2 fonction de la distance parcourue dans le capillaire resp.)
> Po2 sanguine s’équilibre mais reste inférieure à Po2 du médium
Po2 sanguine s’approche de la valeur de Po2 du médium si celui-ci est bien mélangé et que les capillaires respiratoires sont développés
Perfusion - Ventilation non directionnelle avec surface respiratoire épaisse (ou une couche limite inerte)
– Médium dans une orientation / Sang dans une autre
– Distance de diffusion forte
> Efficacité des échanges gazeux ↓
> Pression partielle d’oxygène (= Po2) sanguine ↑ à mesure que le sang passe près de la surface respiratoire (Po2 fonction de la distance parcourue dans le capillaire resp.)
> Po2 sanguine s’équilibre mais reste inférieure à Po2 du médium
Po2 sanguine ne s’approche jamais de la valeur de Po2 du médium
Perfusion - Ventilation bidirectionnelle
- Médium inhalé riche en O2 se mélange dans la cavité respiratoire avec le médium résiduel pauvre en O2
> Po2 de la cavité respiratoire < à Po2 du médium - La Po2 sanguine s’équilibre avec celle de la cavité
- Le médium équilibré est expiré de la cavité
> Po2 sanguine s’équilibre mais reste inférieure à Po2 du médium sortant
Po2 sanguine ne s’approche jamais de la valeur de Po2 du médium entrant
Perfusion - Ventilation unidirectionnelle - Courant convergent
– Médium & Sang en mouvement dans la même direction
> Pression partielle d’oxygène (= Po2) sanguine ↑ et s’équilibre avec celle du médium à mesure que le sang passe près de la surface respiratoire
> Po2 sanguine s’équilibre mais reste inférieure à Po2 du médium sortant
> Po2 sanguine ne s’approche jamais de la valeur de Po2 du médium entrant
Perfusion - Ventilation unidirectionnelle - Flux à contre-courant
– Médium & Sang en mouvement en directions opposées
> Pression partielle d’oxygène (= Po2) sanguine ↑ et s’équilibre avec celle du médium dont la Po2 ↓ à mesure de sa progression près de la surface respiratoire
> Po2 sanguine s’équilibre jusqu’à devenir supérieure à Po2 du médium sortant
> Po2 sanguine s’équilibre mais reste inférieure à la valeur de Po2 du médium entrant
Efficacité des échanges gazeux dépendante de:
- vitesse du flux de sang
- vitesse du flux de médium
Perfusion - Ventilation unidirectionnelle -Système en diagonale
– Médium & Sang en mouvement en angle l’un par rapport à l’autre
> Pression partielle d’oxygène (= Po2) sanguine ↑ et s’équilibre avec celle du médium dont la Po2 ↓ à mesure de sa progression près de la surface respiratoire
> Po2 sanguine s’équilibre jusqu’à devenir supérieure à Po2 du médium sortant
> Po2 sanguine s’équilibre mais reste inférieure à la valeur de Po2 du médium entrant
Efficacité des échanges gazeux dépendante de: Vitesse du flux de sang vs. Vitesse du flux de médium
