Toutes les réactions chimiques réalisées dans un organisme nécessitent de l’énergie. Chaque cellule d’un être vivant doit donc fabriquer l’énergie dont elle a besoin : la respiration, au sens plus général du terme, est l’ensemble des réactions qui permettent la production d’énergie par décomposition de molécules organiques grâce à l’oxygène. (Ce qui est comparable à une combustion).
L’énergie est produite sous des formes diverses : elle est réutilisée pour alimenter les autres réactions organiques mais elle est dégagée aussi, en partie, sous forme de chaleur. De plus un réglage continu – on dit une régulation – permet à un mammifère de garder une température constante de 37° (42° chez les oiseaux). C’est un gros avantage car un être homéotherme (c’est-à-dire à température constante) jouit d’une grande indépendance vis-à-vis du milieu où il vit : il y a des mammifères et des oiseaux de l’équateur aux pôles. L’activité et plus simplement la vie d’un être poïkilotherme (c’est-à-dire à température variable) dépend de façon très stricte des conditions du milieu : les insectes, les reptiles, hibernent ou meurent en hiver.
1. Principe chimique de la respiration
Le principe chimique de la respiration est général : toute cellule a besoin
– d’un matériau combustible
– d’oxygène
– d’enzymes réglant et facilitant les réactions.
Le combustible utilisé est le glucose, chaque fois qu’il est disponible dans l’organisme. Le glucose est un produit final de la digestion, lancé dans la circulation sanguine à sa sortie des villosités intestinales.
L’oxygène est, bien entendu, l’oxygène atmosphérique, celui que les plantes chlorophylliennes rejettent comme déchet de la photosynthèse. Rappelons-le, cet oxygène atmosphérique, c’est aux végétaux que nous le devons dans sa totalité. D’une manière extrêmement résumée, la respiration chimique peut s’écrire sous la forme d’un bilan :
Pour se procurer l’oxygène, un être unicellulaire, étant formé d’une seule cellule, n’a guère de problèmes à résoudre : il baigne dans l’oxygène atmosphérique ou dans une eau contenant de l’oxygène dissous. Mais les cellules internes d’un être comme l’homme ont un problème d’approvisionnement en oxygène. Il est résolu par un dispositif mécanique qui active les échanges gazeux et par l’appareil circulatoire dont une des fonction est la distribution de l’oxygène et l’évacuation du gaz carbonique.
2. Disposition générale de l’appareil respiratoire
Cet appareil comporte la cage thoracique, dont le rôle est actif, et les poumons, au rôle passif; la paroi des vésicules pulmonaires est le siège des échanges avec l’appareil circulatoire.
3. Ventilation pulmonaire
Le dispositif mécanique d’activation des échanges est la cage thoracique formée par les côtes et le diaphragme. Ses mouvements d’inspiration et d’expiration sont représentés schématiquement par l’expérience classique des ballonnets dans une cloche à fond élastique.
Le fonctionnement est simple :
Inspiration : les côtes se relèvent et s’écartent, entraînées par les muscles élévateurs fixés aux vertèbres du cou et aux côtes supérieures. En même temps, le diaphragme se contracte, se tend et par conséquent s’abaisse. Le volume de la cage thoracique augmente. Comme l’air ne peut pas pénétrer entre les poumons et les côtes et que les poumons disposent de plus de place dans la cage thoracique, ils aspirent l’air, qui entre par la trachée-artère.
Expiration : le relâchement des muscles élévateurs et du diaphragme diminue le volume de la cage; celle-ci comprime les poumons qui expulsent leur contenu gazeux.
Les mouvements de ventilation, qui ont une fréquence de 15 à 20 par minute, renouvellent normalement 0,5 l alors que la capacité totale des poumons est de 5 l en moyenne.
Ainsi, en tenant compte d’une fréquence de ventilation normale de 16/min, on calcule que l’homme inspire 11,5 m³ d’air en 24 heures. De ce volume il prélève de 500 à 600 l d’oxygène, à condition que l’air inspiré ait une teneur normale de 21% d’oxygène. (Très variable selon l’activité).
Notons que la teneur en gaz carbonique atmosphérique est très faible : 0,03 %. Un milieu à 1 % de gaz carbonique est malsain; il est irrespirable à 5 %. Ces données sont à méditer quand on sait qu’un homme dégage environ 500 l de gaz carbonique en 24 heures. Il est donc très toxique et dangereux de s’enfermer dans une chambre hermétiquement close.
Rappelons aussi que ce gaz, étant nettement plus dense que l’air (d = 1,5), s’accumule au niveau du sol : on a vu des chiens asphyxiés dans des grottes ou des caves où leur maître ne ressentait aucun trouble.
La mise en évidence du dioxyde de carbone dégagé au cours de la respiration est très aisée. Il suffit de souffler durant quelques instants au moyen d’une paille ou d’un tube de verre dans de l’eau de chaux : celle-ci se trouble par formation d’un précipité de carbonate de calcium insoluble qui révèle la présence du gaz carbonique.
4. La respiration alvéolaire
L’air ayant pénétré par la tranchée-artère puis par l’une des deux bronches, dans un poumon, s’engage dans les ramifications de plus en plus fines appelées bronchioles. Celles-ci enfin se terminent par de petits sacs, les vésicules pulmonaires, de 1 mm de long. Les parois internes des vésicules sont gaufrées et chaque concavité constitue un alvéole. Dans l’épaisseur de cette paroi, pourtant très mince, court un réseau serré de capillaires sanguins.
La structure interne du poumon offre encore un exemple (cf. villosités) de solution apportée au problème des surfaces : dans ces deux sacs pulmonaires, d’une capacité totale moyenne de 5 l est réalisée sur une surface alvéolaire estimée à 200 m².
L’oxygène et le gaz carbonique n’ont plus à traverser que les parois des capillaires sanguins et l’épithélium de l’alvéole; ces épaisseurs confondues sont de l’ordre de quelques microns.
Remarquons que l’appareil circulatoire est parfaitement fermé : le sang vicié ou désoxygéné (qui est en rouge sombre et non bleu comme sur les schémas!) arrive aux poumons par les artères pulmonaires; celles-ci se ramifient en capillaires de plus en plus nombreux où le sang perd graduellement son gaz carbonique et se charge simultanément d’oxygène. Ces mêmes capillaires continuent leur route et se réunissent en vaisseaux de plus en plus gros qui charient le sang oxygéné (rouge vif). Les vaisseaux qui ramènent le sang au cœur sont les veines pulmonaires.
Nyst, Dessart, Jodogne, Biologie générale, Ed. De Boeck, Bruxelles, 1971, pp. 66-69