Karamö, le prof virtuelLeçon 20 sur 29
Les mouvements respiratoires et les échanges au niveau des poumons
Je sais expliquer comment l'air entre et sort des poumons, calculer un débit ventilatoire, et décrire les échanges de gaz entre l'air des alvéoles et le sang.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire l'appareil respiratoire de l'homme, des voies respiratoires aux alvéoles
- Expliquer le mécanisme de l'inspiration et de l'expiration
- Définir et calculer les volumes respiratoires et le débit ventilatoire
- Expliquer les échanges gazeux alvéolaires par diffusion et justifier l'adaptation des alvéoles
Avant de commencer : Les fonctions de la respiration (échanges gazeux, composition de l'air inspiré et expiré, respiration cellulaire).
1Je découvre
Aux championnats scolaires de Kindia, Fatoumata court le 800 mètres. Juste avant le départ, elle respire calmement. À l'arrivée, sa poitrine se soulève très vite et très fort, et elle sent son ventre bouger à chaque respiration. Son entraîneur, monsieur Camara, pose la main sur ses côtes et lui dit : « Tu vois, ce sont tes muscles qui font entrer l'air. Les poumons, eux, ne bougent pas tout seuls. »
Fatoumata est surprise : elle pensait que les poumons « aspiraient » l'air comme une pompe. Elle se demande aussi ce que devient cet air une fois dans ses poumons : comment le dioxygène passe-t-il dans son sang, et comment le dioxyde de carbone en sort-il ?
Comment l'air entre-t-il et sort-il des poumons, et comment se font les échanges de gaz entre l'air et le sang ?
2Je comprends
1. L'appareil respiratoire de l'homme
L'air suit un trajet précis :
fosses nasales (ou bouche) → pharynx → larynx → trachée → deux bronches → bronchioles de plus en plus fines → alvéoles pulmonaires.
- Les fosses nasales réchauffent, humidifient et filtrent l'air (poils, mucus).
- La trachée et les bronches sont maintenues ouvertes par des anneaux de cartilage ; leur paroi porte des cils et du mucus qui piègent les poussières.
- Les alvéoles sont de minuscules sacs, groupés en grappes au bout des bronchioles. C'est là que se font les échanges gazeux.
Les deux poumons sont logés dans la cage thoracique, formée par les côtes, le sternum et la colonne vertébrale. En bas, la cage est fermée par un grand muscle en forme de dôme, le diaphragme, qui la sépare de l'abdomen. Entre les côtes se trouvent les muscles intercostaux. Chaque poumon est entouré d'une double enveloppe, la plèvre, qui le fait adhérer à la paroi du thorax : quand le thorax s'agrandit, le poumon suit.
2. Les mouvements respiratoires
On distingue deux mouvements, l'inspiration et l'expiration. Les poumons n'ont pas de muscles : ils sont passifs et suivent les mouvements de la cage thoracique.
L'inspiration (mouvement actif)
- Le diaphragme se contracte : il s'abaisse et s'aplatit.
- Les muscles intercostaux se contractent : ils soulèvent les côtes vers le haut et vers l'avant.
- Le volume de la cage thoracique augmente, les poumons se dilatent, la pression de l'air à l'intérieur devient plus faible que celle de l'air extérieur : l'air entre.
L'expiration (au repos, mouvement passif)
- Le diaphragme et les muscles intercostaux se relâchent : le diaphragme remonte, les côtes s'abaissent.
- Le volume du thorax diminue, les poumons élastiques se rétractent, la pression intérieure devient plus forte : l'air sort.
- Pendant un effort, l'expiration devient active : les muscles abdominaux se contractent et poussent le diaphragme vers le haut.
- Le diaphragme se contracte et s'abaisse
- Les côtes se soulèvent
- Le volume du thorax augmente
- La pression dans les poumons baisse
- L'air entre
- Mouvement actif
- Le diaphragme se relâche et remonte
- Les côtes s'abaissent
- Le volume du thorax diminue
- La pression dans les poumons augmente
- L'air sort
- Mouvement passif
Un modèle pour comprendre : dans une cloche en plastique fermée en bas par une membrane en caoutchouc, on place deux ballons reliés à l'extérieur par un tube en Y. Quand on tire la membrane vers le bas (comme le diaphragme qui s'abaisse), les ballons se gonflent ; quand on la relâche, ils se dégonflent. Les ballons représentent les poumons, le tube représente la trachée et les bronches, la membrane représente le diaphragme.
3. Les volumes respiratoires
On mesure les volumes d'air avec un spiromètre. Chez un adulte au repos (valeurs moyennes) :
| Volume | Définition | Valeur moyenne |
|---|---|---|
| Volume courant (VC) | Air qui entre et sort à chaque respiration calme | environ 0,5 L |
| Volume de réserve inspiratoire | Air qu'on peut encore inspirer après une inspiration calme | environ 2,5 à 3 L |
| Volume de réserve expiratoire | Air qu'on peut encore expirer après une expiration calme | environ 1 à 1,5 L |
| Capacité vitale | Somme des trois volumes précédents : le plus grand volume qu'on peut expirer après une inspiration forcée | environ 3,5 à 5 L |
| Volume résiduel | Air qui reste toujours dans les poumons, même après une expiration forcée | environ 1,2 L |
La fréquence respiratoire (f) est le nombre de mouvements respiratoires par minute : environ 12 à 20 chez l'adulte au repos, davantage chez l'enfant et pendant l'effort.
Le débit ventilatoire (D) est le volume d'air qui traverse les poumons en une minute :
D = VC × f
Exemple
Au repos, Fatoumata a un volume courant de 0,5 L et une fréquence de 16 mouvements par minute. À l'arrivée du 800 m, son volume courant est de 2 L et sa fréquence de 40 mouvements par minute.
Débit au repos : D = 0,5 × 16 = 8 L/min.
Débit à l'effort : D = 2 × 40 = 80 L/min.
Rapport : 80 ÷ 8 = 10.
Pendant l'effort, le débit ventilatoire est multiplié par 10 : ses poumons renouvellent l'air beaucoup plus vite pour fournir plus de dioxygène aux muscles et rejeter plus de dioxyde de carbone.
Méthode
Pour exploiter des mesures de ventilation :
- Je vérifie les unités (volume en litres, fréquence en mouvements par minute).
- Je calcule le débit ventilatoire : D = VC × f.
- Je compare les situations (repos, effort) par une différence ou un rapport.
- J'explique la variation par les besoins des cellules en dioxygène.
4. Les échanges gazeux au niveau des alvéoles
Chaque alvéole pulmonaire est entourée d'un fin réseau de capillaires sanguins. L'air de l'alvéole et le sang ne sont séparés que par une paroi extrêmement mince (la paroi de l'alvéole plus celle du capillaire, environ 0,5 µm au total).
Le sang qui arrive aux poumons par l'artère pulmonaire vient des organes : il est pauvre en dioxygène et riche en dioxyde de carbone. L'air des alvéoles est au contraire riche en dioxygène et pauvre en dioxyde de carbone.
Les gaz passent alors par diffusion : chaque gaz se déplace spontanément de l'endroit où il est le plus concentré vers l'endroit où il l'est le moins.
- Le dioxygène passe de l'air alvéolaire vers le sang.
- Le dioxyde de carbone passe du sang vers l'air alvéolaire, puis est expiré.
Le sang qui repart par les veines pulmonaires vers le cœur est donc enrichi en dioxygène et appauvri en dioxyde de carbone.
- 1Artère pulmonaire : le sang arrive aux poumons, pauvre en O₂ et riche en CO₂.
- 2Capillaires des alvéoles : le sang circule contre la paroi très fine des alvéoles.
- 3Diffusion : l'O₂ passe de l'air alvéolaire vers le sang ; le CO₂ passe du sang vers l'air.
- 4Veines pulmonaires : le sang repart vers le cœur, riche en O₂ et pauvre en CO₂.
- 5Expiration : l'air chargé de CO₂ est rejeté à l'extérieur.
Exemple
Données : teneur moyenne du sang en gaz (en mL par litre de sang).
Sang arrivant aux poumons : O₂ = 150 ; CO₂ = 520.
Sang quittant les poumons : O₂ = 200 ; CO₂ = 480.
Gain en O₂ : 200 − 150 = 50 mL par litre de sang.
Perte en CO₂ : 520 − 480 = 40 mL par litre de sang.
Chaque litre de sang qui traverse les poumons gagne 50 mL de dioxygène et perd 40 mL de dioxyde de carbone.
5. Des poumons adaptés aux échanges
Les poumons sont une très bonne surface d'échange :
- très grande surface : les poumons contiennent environ 300 millions d'alvéoles, soit une surface d'échange de l'ordre de 100 m² (la surface d'un grand appartement) ;
- paroi très fine : les gaz ont une très courte distance à parcourir ;
- riche vascularisation : chaque alvéole est entourée de capillaires ;
- ventilation permanente : l'air des alvéoles est sans cesse renouvelé ;
- surface humide : les gaz se dissolvent avant de traverser la paroi.
6. Protéger son appareil respiratoire
- Respirer par le nez (il filtre et réchauffe l'air).
- Éviter la fumée de tabac, qui paralyse les cils des bronches, et la fumée de bois ou de charbon dans les pièces fermées.
- Se protéger le nez et la bouche dans les lieux très poussiéreux (pistes pendant l'harmattan, carrières, chantiers).
- Pratiquer une activité physique régulière, qui augmente la capacité respiratoire.
- Tousser dans son coude et consulter en cas de toux qui dure plus de deux semaines (la tuberculose se soigne).
3Je retiens
Je retiens
Trajet de l'air : fosses nasales, pharynx, larynx, trachée, bronches, bronchioles, alvéoles.
Inspiration (active) : contraction du diaphragme et des intercostaux, augmentation du volume du thorax, entrée de l'air.
Expiration au repos (passive) : relâchement des muscles, diminution du volume du thorax, sortie de l'air.
Volume courant environ 0,5 L ; capacité vitale environ 3,5 à 5 L ; fréquence au repos 12 à 20 par minute.
Débit ventilatoire : D = VC × f (en L/min).
Dans les alvéoles, les gaz passent par diffusion : O₂ de l'air vers le sang, CO₂ du sang vers l'air.
Poumons adaptés : grande surface, paroi très fine, riche réseau de capillaires, air renouvelé.
4Erreurs fréquentes
- Croire que les poumons se gonflent d'eux-mêmes : ils sont passifs ; ce sont le diaphragme et les muscles intercostaux qui agrandissent le thorax.
- Inverser le sens des échanges : le dioxygène va de l'alvéole vers le sang, le dioxyde de carbone du sang vers l'alvéole.
- Oublier de multiplier par la fréquence : le débit ventilatoire n'est pas le volume courant, c'est VC × f.
- Penser que les poumons se vident complètement : il reste toujours le volume résiduel.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Range dans l'ordre du trajet de l'air : bronchioles ; trachée ; fosses nasales ; alvéoles ; larynx ; bronches ; pharynx.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Fosses nasales → pharynx → larynx → trachée → bronches → bronchioles → alvéoles.
2Exercice 2
Explique, en quatre étapes, ce qui se passe pendant une inspiration.
Voir le corrigéCacher le corrigé
- Le diaphragme se contracte, s'abaisse et s'aplatit.
- Les muscles intercostaux se contractent et soulèvent les côtes.
- Le volume de la cage thoracique augmente ; les poumons, attachés par la plèvre, se dilatent.
- La pression de l'air dans les poumons devient plus faible que la pression extérieure : l'air entre.
3Exercice 3
Un élève a un volume courant de 0,45 L et respire 18 fois par minute au repos. Après une course, son volume courant passe à 1,8 L et sa fréquence à 35.
a) Calcule son débit ventilatoire au repos et après la course.
b) Par combien le débit a-t-il été multiplié ? Explique cette variation.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Repos : D = 0,45 × 18 = 8,1 L/min. Après la course : D = 1,8 × 35 = 63 L/min.
b) 63 ÷ 8,1 ≈ 7,8 : le débit a été multiplié par près de 8. Pendant l'effort, les muscles consomment beaucoup plus de dioxygène et produisent plus de dioxyde de carbone ; l'augmentation de la ventilation permet d'apporter plus d'O₂ au sang et de rejeter plus de CO₂.
4Exercice 4
Cite trois caractéristiques des alvéoles qui facilitent les échanges gazeux.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Leur très grande surface totale (environ 300 millions d'alvéoles) ; leur paroi très fine ; le riche réseau de capillaires sanguins qui les entoure (on peut aussi citer : l'air sans cesse renouvelé, la surface humide).
5Exercice 5
(Type BEPC) Le tableau donne la composition moyenne de l'air dans trois situations (en % du volume) :
Air inspiré : O₂ = 21 ; CO₂ = 0,04.
Air alvéolaire : O₂ = 14 ; CO₂ = 5,5.
Air expiré : O₂ = 16 ; CO₂ = 4.
a) Compare l'air inspiré et l'air alvéolaire. Qu'est-il arrivé au dioxygène et au dioxyde de carbone dans les alvéoles ?
b) L'air expiré est un mélange d'air alvéolaire et de l'air resté dans la trachée et les bronches, où il n'y a pas d'échanges. Explique pourquoi l'air expiré contient plus d'O₂ que l'air alvéolaire.
c) Indique le mécanisme qui permet le passage des gaz entre l'alvéole et le sang.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) L'air alvéolaire contient moins de dioxygène (14 % contre 21 %) et beaucoup plus de dioxyde de carbone (5,5 % contre 0,04 %). Dans les alvéoles, du dioxygène est passé dans le sang et du dioxyde de carbone est passé du sang dans l'air.
b) À l'expiration, l'air alvéolaire (14 % d'O₂) se mélange à l'air qui était resté dans la trachée et les bronches et qui n'a pas participé aux échanges (composition proche de l'air inspiré, 21 % d'O₂). Le mélange a donc une teneur intermédiaire, environ 16 %.
c) La diffusion : chaque gaz passe spontanément du milieu où il est le plus concentré vers celui où il l'est le moins, à travers la paroi très fine de l'alvéole et du capillaire.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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