Anatomie

Que veut dire Système respiratoire?

Le système respiratoire est une structure anatomique adaptée à la respiration, présente à la fois chez les plantes et les animaux.

Chez les animaux terrestres, la surface respiratoire est située à l’intérieur et est constituée, en particulier dans les tétrapodes, des voies respiratoires, des poumons et des annexes telles que les sacs aériens. Le système respiratoire permet les échanges gazeux d’oxygène et de dioxyde de carbone à travers l’hémoglobine dans les érythrocytes sanguins selon un processus appelé hématose. L’échange de gaz a lieu dans de petits sacs creux appelés alvéoles, chez les mammifères et les reptiles, et les oreillettes chez les oiseaux.

Chez la plupart des poissons et de nombreux autres animaux aquatiques (vertébrés et invertébrés), le système respiratoire se compose de branchies, qui sont des organes partiellement ou complètement externes, immergés dans l’environnement aqueux.

D’autres animaux, comme les insectes, ont des systèmes respiratoires aux caractéristiques anatomiques très simples; chez les amphibiens, la peau joue également un rôle important dans l’échange de gaz. Les plantes ont des systèmes respiratoires, mais la direction des échanges gazeux peut être opposée à celle des animaux.

Mammifères

Anatomie

Chez l’homme et d’autres mammifères, l’anatomie d’un système respiratoire typique est composée de différentes parties qui sont:

les organes creux d’où passent l’air et le gaz, qui sont transportés respectivement à l’intérieur ou à l’extérieur des poumons pendant les processus d’inspiration et d’expiration;

  • les poumons, où l’échange de gaz avec le sang a lieu, au niveau des alvéoles.

 

À ceux-ci s’ajoutent tous les organes auxiliaires, dont:

  • la cage thoracique, constituée de côtes, de vertèbres thoraciques et de sternum, qui fournit un support structure.
  • des muscles, tels que le le diaphragme et les muscles intercostaux, qui permettent à la cage thoracique de s’élargir et aux poumons de se dilater.

Les voies respiratoires peuvent être divisées en voies supérieure et inférieure. La partie supérieure comprend le nez et les cavités nasales, les sinus paranasaux, le pharynx et la partie du larynx au-dessus des cordes vocales. La partie inférieure comprend à la place la partie inférieure du larynx, la trachée, les bronches, les bronchioles et les alvéoles.

Les voies respiratoires des voies inférieures sont souvent appelées l’arbre trachéobronchique. La trachée et les bronches, ainsi que les bronchioles plus grosses ont pour fonction d’amener de l’air aux bronchioles respiratoires, aux canaux alvéolaires et aux alvéoles, où l’échange de gaz a lieu.

Les premières bronches à se ramifier à partir de la trachée sont les bronches principale gauche et droite. Les bronches pénètrent dans les poumons par l’ile, où elles se ramifient en bronches secondaires plus étroites appelées bronches lobulaires, qui à leur tour se ramifient en bronches segmentaires. En moyenne, le nombre de branches de l’arbre respiratoire chez l’homme adulte est de 23, tandis que la souris n’en a que 13.

Les alvéoles sont la dernière partie de l’arbre, avec un fond aveugle, donc l’air qui les pénètre doit sortir par le même chemin.

Mammifères spéciaux

Les chevaux sont des respirateurs nasaux forcés, ils diffèrent donc de nombreux autres mammifères qui ont la capacité de respirer par la bouche.

L’éléphant est le seul mammifère connu pour ne pas avoir d’espace pleural. La plèvre pariétale et viscérale est composée de tissu conjonctif dense et réunies par du tissu conjonctif lâche. On pense que le manque d’espace pleural, ainsi que le diaphragme inhabituellement épais, sont des adaptations évolutives qui permettent à l’éléphant de rester sous l’eau pendant de longues périodes. Chez l’éléphant, les poumons sont attachés au diaphragme et la respiration est principalement basée sur le diaphragme plutôt que sur l’expansion de la cage thoracique.

Humains

D’un point de vue structurel, le système respiratoire humain est composé de:

  • nez externe (cavités nasales et cavités nasales);
  • pharynx;
  • larynx;
  • trachée;
  • bronches et bronchioles;
  • poumons constitués d’alvéoles pulmonaires;
  • plèvre (composée de plèvre).

 

Voies respiratoires

Les voies respiratoires sont formées par des organes creux dans lesquels les substances gazeuses sont transportées vers ou depuis les poumons. Les poumons doivent être maintenus constamment libres, c’est pourquoi ils sont soutenus extérieurement par une structure osseuse, cartilagineuse et musculaire. Tout en étant en continuité les unes avec les autres, les voies respiratoires sont divisées en voies aériennes supérieures et inférieures, en fonction des aspects organogénétiques et cliniques.

  • Les voies respiratoires supérieures sont constituées du nez externe et des cavités buccales, ainsi que des cavités nasales et des sinus paranasaux; le pharynx et le larynx. Ce tract est en partie commun avec le système digestif et a diverses fonctions accessoires telles que l’humidification et le chauffage de l’air, en plus de capturer la poussière au moyen du mucus, expulsé vers le haut à travers les cils de l’épithélium. Les organes des voies aériennes supérieures dérivent des quatre arcs pharyngés, qui apparaissent vers la cinquième semaine de développement embryonnaire.
  • Les voies aériennes inférieures sont constituées de la trachée et des bronches, qui sont constituées d’anneaux de tissu cartilagineux à l’avant, et du tissu conjonctif dans le dos.

Poumons

Le poumon est l’organe essentiel pour la respiration des vertébrés. Sa fonction principale est de transporter l’oxygène de l’atmosphère vers le sang et d’expulser le dioxyde de carbone du sang vers l’environnement extérieur. Les poumons peuvent fonctionner indépendamment les uns des autres, à la fois pour l’alimentation et pour la vascularisation. Ils sont recouverts d’une membrane appelée la plèvre viscérale, qui à son tour se poursuit en une plèvre pariétale qui tapisse la cavité thoracique. L’espace mince entre les deux membranes, l’espace pleural, est rempli d’un liquide qui réduit la friction entre le poumon et la paroi thoracique et aide à créer une pression négative entre les deux membranes, empêchant l’effondrement des poumons et la fermeture des voies respiratoires inférieures .

La trachée se divise en deux bronches, chacune menant à un poumon. À l’intérieur des poumons, les bronches se ramifient à plusieurs reprises en tubes de plus en plus fins appelés bronchioles, qui se terminent en grappes de sacs aériens appelés alvéoles. Ce dernier libère l’oxygène fraîchement inhalé dans le sang, l’échangeant contre du dioxyde de carbone, que le même sang a transporté de l’organisme entier.

Physiologie

Inspiration et expiration

L’acte respiratoire est divisé en deux phases: l’inspiration et l’expiration.

L’inspiration se produit grâce à la contraction des muscles intercostaux et du diaphragme, ce qui provoque une augmentation du volume pulmonaire et une diminution de la pression intrapleurale: une aspiration d’air dans les poumons s’ensuit.

L’expiration est généralement passive, déterminée par la libération de la force élastique du parenchyme pulmonaire. Le volume thoracique diminue, les poumons sont comprimés et l’air expulsé.

Chez un homme adulte d’inspiration normale, environ 0,5 litre d’air est introduit, tandis qu’avec l’inspiration forcée, environ 3 litres d’air sont introduits. Avec une expiration forcée, environ 1,1 litre d’air sont expulsés. Le total de tout cet air est d’environ 4,8 litres d’air, et il est appelé capacité vitale. Il y a toujours un volume d’air résiduel de 1,2 litre dans les poumons. La capacité pulmonaire totale est de 5,8 litres.

Au niveau alvéolaire il y a un échange de gaz entre l’air et le sang: l’oxygène passe de l’alvéole au sang et le dioxyde de carbone du sang à l’alvéole par diffusion ou selon le gradient de concentration (passage passif). Même au niveau cellulaire, l’oxygène passe du sang aux cellules et le dioxyde de carbone des cellules au sang par diffusion.

Les deux gaz sont transportés dans tout le corps par la circulation sanguine. L’oxygène se lie à l’atome de fer de l’hème, un groupe prothétique d’hémoglobine contenu dans les globules rouges, pour être transporté vers les tissus; le dioxyde de carbone se lie à la place à l’eau présente dans le sang.

Pathologies

Les voies respiratoires et les poumons sont la cible de maladies graves causées par des bactéries, des virus et des substances toxiques (gaz, poussières, etc.), ainsi que des tumeurs: les premières peuvent facilement pénétrer le système respiratoire avec le air inspiré. Les troubles du système respiratoire peuvent être classés en plusieurs groupes généraux:

  • Affections obstructives des voies respiratoires (par exemple emphysème, bronchite, asthme).
  • Affections pulmonaires restrictives (par exemple fibrose, sarcoïdose, épanchement pleural).
  • Maladies vasculaires (par exemple œdème pulmonaire, embolie pulmonaire, hypertension pulmonaire).
  • Maladies infectieuses, environnementales et autres (par exemple pneumonie, tuberculose, asbestose).
  • Tumeurs primaires (par exemple carcinome bronchique, mésothéliome).
  • Tumeurs secondaires (par exemple tumeurs métastatiques).
  • Surfactants insuffisants (par exemple syndrome de stress respiratoire du nourrisson).

Oiseaux

Le système respiratoire des oiseaux diffère considérablement de celui des mammifères . Les oiseaux ont des poumons rigides qui ne se dilatent pas et ne se contractent pas pendant le cycle respiratoire. Ils sont équipés d’un grand système de poches aérifères réparties dans le corps qui agissent comme un soufflet: elles aspirent l’air ambiant dans les sacs et l’expulsent après son passage dans les poumons. Les oiseaux n’ont ni diaphragme ni cavité pleurale. L’inhalation et l’expiration sont effectuées en augmentant et en diminuant le volume de toute la cavité thoracique-abdominale à l’aide des muscles abdominaux et des côtes. Les poumons des oiseaux sont plus petits que ceux des mammifères de taille égale, tandis que les poches d’air représentent 15% du volume corporel total. Pendant l’inspiration, les muscles attachés aux côtes vertébrales se contractent vers l’avant et vers l’extérieur, augmentant à la fois le diamètre vertical et transversal de la partie thoracique du tronc. L’augmentation de volume de toute la cavité du tronc réduit la pression de l’air dans tous les sacs thoraciques et abdominaux, les faisant se remplir d’air. Lors de l’expiration, le muscle oblique externe inverse le mouvement d’inspiration: il comprime le contenu abdominal, augmentant la pression dans toutes les poches d’air. L’air est ensuite expulsé du système respiratoire et l’expiration a lieu. Pendant l’inhalation, l’air pénètre dans la trachée, par les narines et la bouche et continue vers la seringue, où la trachée se ramifie en deux bronches, qui continuent jusqu’au poumon. Les extrémités des bronches intrapulmonaires déchargent de l’air dans les sacs aériens postérieurs à l’extrémité caudale de l’oiseau.

Reptiles

La structure anatomique des poumons des reptiles est moins complexe que celle des mammifères. Les reptiles n’ont en effet pas une structure large et complexe des voies respiratoires telle que celle présente dans les poumons des mammifères. L’échange de gaz chez les reptiles a lieu dans les alvéoles. Les reptiles n’ont pas de diaphragme, par conséquent, la respiration se produit par le changement du volume de la cavité corporelle, contrôlé par la contraction des muscles intercostaux. Les tortues sont une exception, où la contraction de paires spécifiques de muscles latéraux régit à la fois l’inhalation et l’expiration.

Amphibiens

Chez les amphibiens, les poumons et la peau agissent comme des organes respiratoires. La ventilation des poumons amphibies est sous pression positive: les muscles abaissent le plancher de la cavité buccale, l’élargissent et aspirent de l’air par les narines. Le plancher de la cavité buccale est soulevé avec la fermeture des narines et de la bouche, forçant l’air le long de la trachée vers les poumons. La peau de ces animaux est très vascularisée et humide, grâce à la sécrétion de mucus à partir de cellules spécialisées, et participe à la respiration cutanée. Les poumons sont les principaux organes d’échange de gaz entre le sang et l’air ambiant (hors de l’eau), les propriétés uniques de la peau favorisent plutôt l’échange de gaz lorsque les amphibiens sont immergés dans l’eau. Certains amphibiens ont des branchies, à la fois aux premiers stades de leur développement (par exemple chez les têtards), tandis que d’autres les gardent à l’âge adulte (par exemple certaines salamandres).

Poissons

L’oxygène est peu soluble dans l’eau, pour cette raison, les poissons ont développé des branchies, des organes spécialisés contenant des filaments qui se divisent en lamelles. Les lattes contiennent un réseau capillaire avec des parois minces et denses qui fait qu’une grande surface d’échange entre en contact avec les grands volumes d’eau environnante. Les branchies utilisent un système d’échange à contre-courant qui augmente l’efficacité d’absorption de l’oxygène de l’eau. Le peroxyde d’hydrogène frais introduit par la bouche est pompé en continu à travers les branchies dans une direction, tandis que le sang des lamelles coule dans la direction opposée, créant un flux à contre-courant de sang et d’eau. L’eau est aspirée par l’ouverture de la bouche et la fermeture de l’opercule (couvrant les branchies). En même temps, les chambres branchiales s’élargissent, produisant une pression inférieure à celle de la bouche, faisant couler l’eau sur les branchies. Pendant ce temps, les valves orales passives sont fermées dans la cavité buccale, ce qui empêche le reflux de l’eau de la bouche. L’eau de la bouche passe dans les branchies, qui se contractent en se vidant par les ouvertures operculaires. Le sang dans les capillaires lamellaires s’écoule dans la direction opposée à celle de l’eau, et donc le flux à contre-courant maintient un gradient de concentration constant en oxygène et en dioxyde de carbone sur toute la longueur de chaque capillaire. L’oxygène est donc capable de se propager en continu dans le sang, selon son gradient, tandis que le dioxyde de carbone est libéré dans l’eau.

Invertébrés

Arthropodes

Certaines espèces de crabes utilisent un organe respiratoire appelé branchiostego . Sa structure en forme de branchies augmente la surface utile pour l’échange de gaz, ce qui est utile pour capturer l’oxygène de l’eau. Certaines petites araignées et acariens peuvent respirer simplement en échangeant du gaz à travers la surface du corps. Les plus grandes araignées, scorpions et autres arthropodes utilisent un poumon primitif.

Insectes

La plupart des insectes respirent passivement par les ouvertures de l’exosquelette, appelées stigmates. L’air atteint chaque partie du corps au moyen d’une série de petits canaux appelés trachées qui s’amincissent jusqu’à ce qu’ils entrent en contact avec les cellules individuelles de l’organisme. La diffusion des gaz est efficace sur de petites distances mais pas sur de plus grandes, c’est une des raisons pour lesquelles les insectes sont généralement petits. Les insectes qui n’ont pas de stigmates et de trachées, comme certains Collemboli, respirent directement à travers la peau, en répandant du gaz. Le nombre de stigmates d’un insecte varie selon les espèces, mais on les trouve toujours par paires, une de chaque côté du corps. Certains en ont onze. La plupart des insectes les plus anciens, comme les libellules et les sauterelles, ont deux stigmates thoraciques et huit stigmates abdominaux. Dans la partie restante des insectes, il y en a moins. Certains petits insectes ne montrent aucun mouvement respiratoire et peuvent ne pas avoir de contrôle musculaire sur les spiracles. D’autres utilisent plutôt la contraction musculaire du ventre, ainsi que la contraction coordonnée et la relaxation des stigmates, pour réduire la perte d’eau dans l’atmosphère.

Mollusques

Les mollusques sont généralement équipés de branchies qui permettent l’échange de gaz entre l’environnement aqueux et leurs systèmes circulatoires. Ces animaux ont également un cœur qui pompe le sang contenant de l’hémocyanine. Les mollusques ont donc un système respiratoire similaire à celui des poissons vertébrés. Le système respiratoire des gastéropodes peut également comprendre des branchies ou des poumons.

Plantes

La respiration des plantes est limitée par le processus de diffusion. Les plantes utilisent le dioxyde de carbone dans le processus de photosynthèse et éliminent l’oxygène gazeux comme déchet. La photosynthèse utilise les électrons des atomes de carbone pour déposer l’énergie obtenue de la lumière solaire. Les plantes absorbent le dioxyde de carbone par des trous, appelés stomates, qui peuvent s’ouvrir et se fermer et qui sont situés sur la partie inférieure de leurs feuilles ou sur d’autres parties de la plante. La plupart des plantes ont besoin d’oxygène pour les processus cataboliques.

 

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