Systèmes respiratoires Flashcards
Propriétés physiques de l’air et de l’eau
Un organisme qui extrait son O2 de l’eau dépense davantage d’énergie qu’un organisme qui extrait son O2 de l’air
Concentration dans l’eau 30 fois moindre que dans l’air
Pourquoi la PCO2 artérielle est beaucoup (~20 fois) plus élevée chez les animaux respirant dans l’air que chez ceux respirant dans l’eau ?
> Les organisme aquatiques ventilent beaucoup plus que les organismes terrestre
> Ventiler permet d’obtenir plus d’O2 mais aussi de rejeter plus de CO2.
–> Donc les organismes aquatiques ont beaucoup moins de CO2 puisqu’ils doivent ventiler plus
Importance du courant d’eau dans la ventilation et les échanges gazeux dans l’eau
• Systèmes cutanés & Branchies externes
> Tégument / Branchies externes
> baignent dans le médium
> Diffusion simple de l’O2
Structures spécialisées dans le mouvement du medium aqueux
- Mouvements ciliaires
- Contractions musculaires
• Branchies internes
Avantages
> Protection de structures fragiles (surfaces minces & humides)
> Ajustement possible du débit du médium contenant O2
Structures spécialisées dans le mouvement du medium aqueux
- Mouvements ciliaires
- Contractions musculaires
–> Renouvellement de l’O2 du medium respiratoire
Structures spécialisées dans le mouvement du medium aqueux chez les Mollusques
Mouvements ciliaires > Mouvements du médium aqueux à travers les branchies > Ventilation unidirectionnelle > Flux sanguin à contrecourant > Ex: Gastéropodes & Bivalves
Contractions musculaires > Mouvements du médium aqueux à travers les branchies > Ventilation unidirectionnelle > Flux sanguin à contrecourant > Ex: Céphalopodes
Ventilation et échanges gazeux chez les Crustacés
Diffusion simple
> Petites espèces filtreuses & Copépodes
Appendices modifiés dans la cavité branchiale pour la ventilation
> Scaphognathite, Plaques branchiales
> Crabes, Crevettes, Homard, Écrevisse
Structures spécialisées dans le mouvement du medium aqueux chez les Échinodermes
Pieds tubulaires & Papules respiratoires
> Madreporites → pores par lesquels l’eau est aspirée et rejetée
> Papules respiratoires → ~ branchies externes dont les cils font circuler le medium respiratoire
Invaginations de la surface corporelle (« Poumons » )
> Mouvements ciliaires → circulation de l’eau dans les canaux du système vasculaire
> Contractions musculaires → Cloaque & Arbre respiratoire font circuler l’eau
Structures spécialisées dans le mouvement du medium aqueux chez les Poissons
• Contractions musculaires d’une structure ciliée (= velum)
- Myxine
- Lamproie
• Pompe buccale des Élasmobranches (= Poissons cartilagineux)
- Ventilation par étapes successives
• Pompe bucco-operculaire des Téléostéens (= Poissons osseux)
• Tactique alternative des Téléostéens ( =Poissons osseux) : Ventilation sans pompe bucco-operculaire
> Espèces actives : Thon (obligatoire), qq requins
> ↓ ↓ dépense d’énergie pour ventiler
> ↑ dépense d’énergie pour se déplacer
–> Ajustement possible de la tactique à employer selon l’environnement et les besoins respectifs des individus
Cas particulier de la lamproie : Changement de mode de ventilation
- Hors période de nourrissage (similaire à la myxine)
> Eau entre par le nostril median / sort par l’ouverture de la chambre branchiale
> Ventilation unidirectionnelle
> Flux sanguin à contrecourant - Pendant le nourrissage
> Eau entre/sort par les ouvertures branchiales
> Ventilation bidirectionnelle
Ventilation par étapes successives :
- ↑ volume cavité buccale
> Entrée d’eau par la bouche et les spiracles ouverts - ↓ volume cavité buccale (contractions musculaires)
> Sortie d’eau par les fentes branchiale (bouche & spiracles fermés)
Succession d’Expansion & Contraction de la cavité buccale
─ Pompe aspirante ET expirante
─ Flux unidirectionnel à contre-courant
─ Flux pulsatile
Cas de la myxine
> Eau entre par le nostril median / sort par l’ouverture de la chambre branchiale
Ventilation unidirectionnelle
Flux sanguin à contrecourant
Fonctionnement de la pompe bucco-operculaire
> Anatomie - Organisation :
- Arc branchial (4)
- Lames branchiales (2 / arc branchial)
- Lamelles branchiales (= Filaments branchiaux)
> Renouvellement du medium respiratoire
- Entrée d’eau par la bouche
- Sortie d’eau par les opercules branchiaux
Voir diapo 15
Mouvements de la bouche et de l’opercule = 2 pompes génératrices de différentiels de pression entre les différentes cavités assurant le flux unidirectionnel du medium respiratoire
Ventilation – Perfusion des Téléostéens
Ventilation unidirectionnelle + Flux à contre-courant
- Arc branchial → vaisseau afférent
- Lames branchiales → vaisseaux afférents
- Lamelles branchiales → capillaires
- Lames branchiales → vaisseaux efférents
- Arc branchial → vaisseau efférent
Respiration et adaptation évolutive des Téléostéens
Espèces actives vs. statiques
Influence le nombre de lames & lamelles branchiales des différentes espèces de Téléostéens selon leur degré d’activité
Aspects évolutifs de la Ventilation et des échanges gazeux dans l’air
> Ventilation unidirectionnelle des branchies ( ~ respiration aquatique)
Ventilation bidirectionnelle des poumons
Ventilation et échanges gazeux dans l’air des mollusques terrestres
- Absence de branchies
- Cavité interne du manteau très vascularisée = « Poumons »
> Contractions musculaires de la cavité du manteau
= Renouvellement régulier du médium aérien dans la cavité du manteau à travers le pneumostome
Systèmes spécialisés chez les Crustacés (Crabes terrestres)
> Branchies rigides (« Poumons » en lamelle)
- invaginations de la surface corporelle
- ne s’affaissent pas dans l’air
Cavité branchiale hautement vascularisée Site principal d’échanges gazeux
Scaphognathite
- Renouvellement régulier du médium aérien dans la cavité branchiale
Insectes terrestres: Organisation du système trachéal
> Système trachéal = longs & fins tunnels internes de cuticule (= chitine) emplis d’air
Trachéoles = extrémité des tubes emplis d’hémolymphe
O2 se dissout dans cette hémolymphe en contact avec les tissus
L’air diffuse à travers les stigmates par 3 modes de ventilation
Insectes terrestres: les 3 grands modes de ventilation
1.Changement de volume abdominal ou thoracique
> Ventilation bidirectionnelle (entrée et sortie d’air par les mêmes stigmates)
> Ventilation unidirectionnelle (entrée par stigmates antérieurs/sortie par stigmates postérieurs)
> Flux volumique
2.Ventilation active du système trachéal
> Changement de volume des trachées et trachéoles
> Flux volumique
3.Échanges gazeux discontinus (Fermeture des stigmates)
> Ventilation en 3 phases
> Flux volumique
Échanges gazeux discontinus (Fermeture régulière des stigmates)
Ventilation en 3 phases
1. Phase 1= Stigmates fermés – pas d’échanges d’air avec l’extérieur – O2 consommé → CO2 → HCO3- > Po2 & Ptrachéale totale ↓
- Phase 2 = Stigmates ouverts partiellement
– entrée d’air de l’extérieur
– Ptrachéale totale faible favorise le flux
> Po2 & Ptrachéale totale ↑ puis ↓ selon ouverture/fermeture stigmates - Phase 3= Stigmates ouverts totalement
– en réponse à Pco2 ↑ suite aux fortes
quantités de HCO3- accumulées
> Po2 & Ptrachéale totale ↑ jusqu’au max
> CO2 rapidement relâché vers l’extérieur suite à l’ouverture complète des stigmates
Voir diapo 25 (Nouvelle diapo)
Systèmes spécialisés chez les Chélicérates (Araignées)
> 4 Poumons en feuillets (10-100 lamelles) → échanges gazeux avec milieu extérieur
Système trachéal (~ Insectes) → O2 diffuse dans les trachées, puis se dissout dans le fluide interstitiel de l’organisme
Systèmes spécialisés chez les Isopodes terrestres (Cloportes)
> Branchies avec :
- une face mince → échanges gazeux
- une face chitineuse épaisse, dure & résistante → support
Pseudotrachea = branchies antérieures contenant des tubules aériens → O2 diffuse dans le pseudotrachea, puis se dissout dans le fluide interstitiel de l’organisme
Systèmes spécialisés chez les Insectes aquatiques
Respirent aussi de l’air → Organes spécialisés
> Provision d’air accumulée (ex: Bulle « branchiale » du dytique)
> Siphon respiratoire (ex: « Tuba » des larves de moustiques)
> Plastron constitué de soies hydrofuges
–> permet de repousser l’eau et garder l’accès à l’air
Respiration aérienne chez certains poissons
Diversité des organes accessoires
> branchies ou système digestif modifié (selon les espèces)
Cas des Dipneustes (pompe buccale)
Voir diapo 27
Amphibiens - Cas particulier : Diversité des stratégies respiratoires
- Respiration branchiale
- Respiration cutanée
- Respiration pulmonaire
Différents types de respiration qui changent selon le développement (stade de vie) et l’environnement de l’individu
Échanges gazeux & Développement des amphibiens
Exemple du ouaouaron (bullfrog)
• Stade Tétard
–Branchies (~50%) + Peau (~50 %)
–Poumons non fonctionnels
• Stade Tétard avancé
–Peau (~60%) + Poumons (~20%) + Branchies (~20%)
• Stade Adulte
–Poumons (~80%) + Peau (~20%)
–Branchies absentes ou non fonctionnelles
–Peau (100% en Hibernation & Plongée)
Respiration pulmonaire & Pompe buccale des Amphibiens
> Respiration intermittente → pause possible entre chaque cycle
> Variations interspécifiques → phase 2 possiblement variable
Voir diapo 30
Reptiles
Crocodiliens, Tortues & Lézards actifs
• Anatomie
> Respiration pulmonée
> 2 poumons (le + souvent)
> Vascularisation spécifique
Poumons uniloculaires
> Similaire aux Amphibiens
> Espèces peu actives
Poumons multiloculaires
> Présence de bronches
> Espèces actives anatomie + complexe
Cas des Reptiles : Innovation de la pompe aspirante (= Ventilation)
Cavité thoracique & abdominale séparées = Grande étape évolutive
> Air directement aspiré vers les poumons vs. Air poussé dans les poumons par pompe
2 phases dans le cycle de ventilation bidirectionnelle : 1- Inspiration • Volume de la cavité thoracique ↑ • Pression pulmonaire ↓ • Air entre dans les poumons
2- Expiration
• Volume de la cavité thoracique ↓
• Pression pulmonaire ↑
• Air expulsé des poumons
Mécanismes spécifiques de mobilisation de la cage thoracique
Serpents & Lézards – Muscles intercostaux ↑ et ↓ volume thoracique > ↑ cage thoracique → entrée d’air > retour « élastique » → sortie d’air – Cas des lézards : •Interactions avec la locomotion •pompe buccale complémentaire
Tortues
– Muscles abdominaux ↑ et ↓ volume pulmonaire
– Interactions avec la locomotion
Crocodiliens
– Septum hépatique = tissu conjonctif attaché au foie
– Muscles attachés au Septum + Ceinture pelvienne
– ↑ et ↓ volume de la cavité thoracique
Oiseaux
Anatomie
> Poumons rigides qui ne varient quasi-pas de volume
> Sacs aériens - Peu vascularisés = peu d’échanges gazeux - Nombreux & Flexibles = ventilation (+ masse < agissent comme un soufflet
>Parabronches : •Division des bronches IIaires •Réseau hexagonal •Paroi fine et vascularisée --> échanges gazeux efficaces
Cycle respiratoire des oiseaux
« 2 cycles » inspiration-expiration en 1 seul »
Inspiration : sacs aériens antérieurs et postérieurs se gonflent
> Air « frais » du milieu extérieur vers les sacs postérieurs
> Air « usé » des poumons vers les sacs antérieurs
Expiration : sacs aériens antérieurs et postérieurs se vident
> Air « frais » des sacs postérieurs vers les poumons
> Air « usé » des sacs antérieurs vers le milieu extérieur
Voir diapo 35
Système de ventilation-perfusion des oiseaux
Parabronches & Tubules aériens
Site d’échange gazeux
Intimement lié à la circulation sanguine
- -> Po2 sanguine s’équilibre jusqu’à devenir supérieure à celle du medium sortant
- -> Ventilation unidirectionnelle Système en diagonale
- -> Efficacité maximale adaptée à la forte demande énergétique du vol…
Organisation et structure des Mammifères
Voies respiratoires supérieures –Cavités buccale / nasale –Pharynx – Larynx > Carrefour des voies digestives et respiratoires > Site de la déglutition –Trachée > Anneaux constitués de cartilage hyalin > Épithélium cilié contenant des cellules caliciformes
Voies respiratoires inférieures –Bronches –Bronchioles > Nombreux embranchements = « Arbre bronchique » –Alvéoles > Richement vascularisées > Épithélium mince > Site principal d’échange gazeux
Poumons compliants et élastiques
- Extensibilité
- Tendance au retour à sa taille initiale après extension
Pneumocytes
Pneumocytes de type I
> échanges gazeux
Pneumocytes de type II
> sécrétion de surfactant (= lipoprotéines)
Importance du sac pleural (= Plèvre) chez les mammifères
Enveloppe des poumons
–2 couches cellulaires délimitant la cavité pleurale
–Fluide pleural : rôles de protection & soutien
Importance fonctionnelle
–Pintrapleurale < Patmosphère
–Pintraalvéolaire = Patmosphère
> bronchioles et alvéoles tendent à s’ouvrir
–> Maintien de l’intégrité structurelle
Importance du surfactant chez les mammifères
Définition & Caractéristiques
- Sécrétion lipoprotéique produites par les pneumocytes de type II
> recouvre la membrane alvéolocapillaire des alvéoles pulmonaires
Rôles
–Diminue la tension superficielle de l’interface « Air-Liquide » du poumon
> ↓ du travail nécessaire aux alvéoles à chaque inspiration/expiration
> ↓ des forces favorisant le collapsus alvéolaire
Ventilation bidirectionnelle chez les mammifères
Cycle à 2 phases: Inspiration / Expiration Δ Volume → Δ Pression → écoulement des gaz
Inspiration (active)
–Diaphragme + Muscles intercostaux contractés
> ↑ V cage thoracique → ↓ P intrathoracique
> Plèvre pariétale suit → ↓ P cavité intrapleurale
> P intraalvéolaire «_space;P extérieur
> Expansion alvéolaire maximum / Air entrant
Expiration (passive)
–Diaphragme + Muscles intercostaux relachés
> ↓ V cage thoracique → ↑ P intrathoracique
> Plèvre pariétale suit → ↑ P cavité intrapleurale
> P intraalvéolaire»_space; P exterieur
> Air passe des voies respiratoires au milieu
Voir diapo 44
Volumet et capacité respiratoire chez les mammifères
Voir diapo 45
Notion d’espace mort
Air stagnant dans les conduits du système respiratoire d’un cycle au suivant
> ne participe pas aux échanges gazeux
> volume d’air échangé > à celui d’un animal de même masse
1. Espace mort anatomique (ex: espèces avec un long cou)
2. Espace mort alvéolaire = pas de perfusion avec le flux sanguin
Compliance & Élastance des poumons
influence la capacité de changements de forme des poumons
Compliance (= Capacité de se déformer)
> ↑ surfactant → ↑ compliance
> ↓ diamètre des voies aériennes → ↓ compliance
> ex: Fibrose pulmonaire → ↓ compliance
Élastance (= Capacité de retrouver sa forme originale)
> permet l’expiration passive de l’air pulmonaire
> ex: Emphysème pulmonaire → ↓ élastance
Aspects évolutifs de la respiration chez les Vertébrés
Surface d’échange gazeux Masse
> vrai pour tous les groupes phylogénétiques
Relation différente selon les Taxons > Poissons ~ Amphibiens ~ Reptiles > Oiseaux & Mammifères - Embranchements & Ramifications - Homéothermie / Métabolisme - Évolution indépendante
Voir diapo 47
Utilisation de la respiration cutanée chez les Vertébrés
Échanges cutanés importants (>25%)
– Amphibiens
– Quelques Reptiles
– Quelques Poissons
Échanges cutanés négligeables – Certains Poissons – Certains Reptiles – Oiseaux – Mammifères
