Au fond de tes poumons, l'air arrive dans de minuscules sacs, les alvéoles, collés à des vaisseaux sanguins très fins. Le dioxygène (O2) y passe de l'air dans le sang, et le dioxyde de carbone (CO2) fait le chemin inverse, par diffusion : chaque gaz se déplace tout seul de l'endroit où il est le plus concentré vers celui où il l'est moins. Ton souffle en garde la trace : l'air que tu inspires contient 21 % de dioxygène, celui que tu expires n'en contient plus qu'environ 16 % (Vidal, 2011).
Le trajet de l'air jusqu'aux alvéoles
L'air entre par le nez ou par la bouche, traverse le pharynx (le fond de la gorge), puis le larynx, qui porte les cordes vocales, et descend dans la trachée. La trachée se divise en deux bronches, une par poumon, qui se ramifient en conduits de plus en plus fins, les bronchioles, comme les branches d'un arbre à l'envers.
Tout le long, un mucus collant piège poussières et microbes ; des cils microscopiques le font remonter vers la gorge.
Définition : une alvéole pulmonaire est un petit sac d'air au bout d'une bronchiole. Sa paroi très fine est enveloppée d'un réseau de capillaires, les plus fins des vaisseaux sanguins. C'est là que se font les échanges gazeux ; les conduits qui y mènent ne font que transporter l'air.
La ventilation : faire entrer et sortir l'air
Les poumons n'ont pas de muscle pour se gonfler. Ils sont accolés à la cage thoracique par les plèvres, deux fines membranes séparées par un film de liquide : quand la cage thoracique s'agrandit, les poumons suivent.
À l'inspiration, le diaphragme, le muscle en forme de dôme qui sépare les poumons de l'abdomen, se contracte et s'abaisse. Les muscles intercostaux, entre les côtes, soulèvent la cage thoracique. Le volume des poumons augmente, la pression de l'air à l'intérieur devient plus faible qu'à l'extérieur, et l'air entre.
À l'expiration, au repos, ces muscles se relâchent. Le diaphragme remonte, la cage thoracique s'abaisse, et les poumons, élastiques, se rétractent en chassant l'air. Aucun effort n'est nécessaire.
Ce renouvellement de l'air s'appelle la ventilation. Le débit ventilatoire est le volume d'air qui entre dans les poumons en une minute, soit le volume d'un cycle multiplié par le nombre de cycles par minute. Il passe d'environ 6 à 8 litres par minute au repos à 80 à 150 litres par minute à l'effort (Vidal, 2011).
Piège classique : n'écris pas que les poumons « aspirent » l'air. Ils ne font que suivre la cage thoracique. L'air entre parce que l'agrandissement de la cage fait baisser la pression dans les poumons, et qu'un gaz va de la pression la plus forte vers la plus faible.
Les échanges gazeux dans les alvéoles
Compare l'air qui entre et l'air qui sort (Vidal, 2011) :
| Gaz | Air inspiré | Air expiré |
|---|---|---|
| Dioxygène | 21 % | environ 16 % |
| Dioxyde de carbone | moins de 0,1 % | 4 à 5 % |
L'air a perdu du dioxygène et gagné du dioxyde de carbone. Le sang qui arrive aux alvéoles revient des organes, où il a cédé du dioxygène et s'est chargé de dioxyde de carbone. L'air de l'alvéole, renouvelé par la ventilation, est plus riche en dioxygène que ce sang, et plus pauvre en dioxyde de carbone.
Règle : un gaz diffuse du milieu où il est le plus concentré vers celui où il l'est le moins. Dans l'alvéole, le dioxygène passe donc de l'air au sang, et le dioxyde de carbone du sang à l'air. Rien ne les pousse : la diffusion se fait d'elle-même, sans dépense d'énergie.
Dans le sang, le dioxygène se fixe surtout sur l'hémoglobine, une protéine des globules rouges.
Les poumons sont taillés pour cette diffusion. Leurs alvéoles offrent une surface totale d'environ 100 m² (Vidal, 2011), celle d'un carré de 10 m de côté. Entre l'air et le sang, il n'y a que deux parois, celle de l'alvéole et celle du capillaire, faites chacune d'une seule couche de cellules aplaties. Et la différence de concentration se maintient, car la ventilation renouvelle l'air pendant que la circulation emporte le sang déjà chargé.
Conseil : au contrôle, fais un schéma : une alvéole, un capillaire collé contre elle, une flèche O2 vers le sang, une flèche CO2 vers l'alvéole. À côté de chaque flèche, note de quel côté le gaz est le plus concentré : c'est la justification attendue.
Du poumon aux cellules
Le sang chargé de dioxygène passe par le cœur, qui l'envoie vers tous les organes. Là, la situation s'inverse : les cellules consomment du dioxygène et produisent du dioxyde de carbone. Le dioxygène quitte donc le sang pour les cellules, et le dioxyde de carbone fait le trajet inverse. Même règle de diffusion, autre endroit.
Ce dioxygène sert à la respiration cellulaire. Cette réaction le consomme dans les mitochondries, de petits compartiments (des organites) présents dans presque toutes tes cellules, et libère l'énergie contenue dans des nutriments comme le glucose.
Bilan : glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau, avec libération d'énergie.
Le dioxyde de carbone de ton air expiré a donc été fabriqué par tes cellules. Pendant un effort, tes muscles consomment plus de dioxygène et rejettent plus de dioxyde de carbone : tu respires plus vite et plus profondément, et ton cœur accélère.
Piège classique : ne confonds pas ventilation et respiration cellulaire. La ventilation renouvelle l'air des poumons ; la respiration cellulaire consomme le dioxygène dans les cellules de tout le corps. Les poumons font passer le dioxygène dans le sang, les cellules l'utilisent.
Quand les échanges se font mal
La BPCO (bronchopneumopathie chronique obstructive) est une maladie chronique inflammatoire des bronches, dont le principal facteur de risque est le tabagisme : plus de 80 % des cas lui sont attribuables (Inserm, 2020). Au cours de cette maladie, les alvéoles sont progressivement détruites, ce qui conduit à l'emphysème. La surface d'échange diminue, moins de dioxygène passe dans le sang chaque minute, et la personne s'essouffle, surtout à l'effort.
Le monoxyde de carbone (CO) s'attaque, lui, au transport. Ce gaz incolore et inodore passe dans le sang et prend la place du dioxygène sur l'hémoglobine : son affinité pour elle, c'est-à-dire sa facilité à s'y fixer, est 230 fois supérieure à celle du dioxygène (Santé publique France, 2020). Le sang transporte alors moins de dioxygène vers les organes.
Exercices corrigés
Du plus direct au plus proche d'un contrôle. Cherche chacun avant d'ouvrir la correction.
Exercice 1 : Au repos, Léa fait 12 cycles respiratoires par minute, et à chaque inspiration 0,5 L d'air entre dans ses poumons. Pendant une course, elle fait 40 cycles par minute de 2 L chacun (données fictives). Calcule son débit ventilatoire au repos, puis pendant la course. Par combien est-il multiplié ?
Correction :
Le débit ventilatoire est le volume d'un cycle multiplié par le nombre de cycles par minute.
Au repos : 0,5 × 12 = 6 L/min. Pendant la course : 2 × 40 = 80 L/min.
Il est multiplié par 80 ÷ 6 ≈ 13 : la fréquence et le volume de chaque cycle ont augmenté tous les deux.
Exercice 2 : Au repos, Léa ventile 6 L d'air par minute. L'air qu'elle inspire contient 21 % de dioxygène, l'air qu'elle expire 16 %. On admet que le volume d'air expiré est égal au volume inspiré. Quel volume de dioxygène passe dans son sang en une minute ? En une heure ?
Correction :
Le dioxygène qui manque dans l'air expiré est passé dans le sang. Chaque litre d'air perd 21 % − 16 % = 5 % de son volume en dioxygène, soit 0,05 L.
En une minute : 6 × 0,05 = 0,3 L, soit 300 mL de dioxygène.
En une heure : 0,3 × 60 = 18 L de dioxygène.
Exercice 3 : Un camarade écrit dans sa copie : « On inspire du dioxygène et on expire du dioxyde de carbone. » À l'aide du tableau de composition de l'air, montre ce qui est faux, puis corrige sa phrase.
Correction :
On n'inspire pas du dioxygène pur, mais de l'air qui n'en contient que 21 %. On n'expire pas non plus du dioxyde de carbone pur : l'air expiré contient encore environ 16 % de dioxygène, et seulement 4 à 5 % de dioxyde de carbone. Le reste de l'air, surtout du diazote, entre et ressort sans être utilisé.
Phrase juste : « L'air expiré est plus pauvre en dioxygène et plus riche en dioxyde de carbone que l'air inspiré. »
Exercice 4 : Un litre de sang qui arrive aux poumons contient 150 mL de dioxygène ; un litre de sang qui en repart en contient 200 mL. Le cœur envoie 6 L de sang par minute dans les poumons (données fictives).
1. Explique pourquoi le sang s'enrichit en dioxygène en traversant les poumons.
2. Calcule le volume de dioxygène que le sang prend dans les poumons en une minute.
3. Compare avec le résultat de l'exercice 2.
Correction :
1. L'air de l'alvéole est plus concentré en dioxygène que le sang qui revient des organes : le dioxygène diffuse donc vers le sang, à travers les parois très fines de l'alvéole et du capillaire, puis se fixe sur l'hémoglobine.
2. Chaque litre de sang gagne 200 − 150 = 50 mL de dioxygène. Pour 6 L : 6 × 50 = 300 mL de dioxygène par minute.
3. On retrouve les 300 mL par minute de l'exercice 2 : le dioxygène que l'air perd dans les alvéoles est celui que le sang gagne.
À retenir
À retenir :
- L'air descend par la trachée, les bronches et les bronchioles jusqu'aux alvéoles, lieu des échanges gazeux.
- À l'inspiration, le diaphragme s'abaisse et les muscles intercostaux soulèvent la cage thoracique : les poumons suivent et l'air entre. Au repos, l'expiration est passive.
- Débit ventilatoire = volume d'un cycle × nombre de cycles par minute.
- Dans l'alvéole, chaque gaz diffuse vers le milieu où il est le moins concentré : le dioxygène vers le sang, le dioxyde de carbone vers l'air. Une grande surface et une paroi très fine rendent cet échange efficace.
- L'hémoglobine transporte le dioxygène jusqu'aux cellules, où la respiration cellulaire le consomme et produit le dioxyde de carbone que tu expires.
Sources
- Vidal, « Les poumons et la respiration pendant le sport », mise à jour du 22 juin 2011 : page sur vidal.fr.
- Inserm, dossier « Bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) », modifié le 19 juin 2020 : page sur inserm.fr.
- Santé publique France, « Quelles peuvent être les conséquences d'une exposition au monoxyde de carbone ? », mise à jour du 13 mai 2020 : page sur santepubliquefrance.fr.