Chapitre 5: l'approvisionnement du sang en dioxygène (O2)
Nous savons depuis que nous allons à l'école que les humains respirent grâce à leurs poumons. Nous savons aussi que l'air entre par la bouche ou le nez. Mais où va-t-il ensuite ? par où passe-t-il?
Dans le chapitre 3, nous avons étudié les besoins des organes pour fonctionner. Les organes ont besoin de dioxygène (O2) et de nutriments (glucides, lipides ou protéines) pour créer de l'énergie et fonctionner correctement (voici le lien pour le chapitre 3: LIEN).
Les organes ont donc besoin de nutriments et de dioxygène. Nous allons nous demander dans ce chapitre comment les organes reçoivent le dioxygène, mais aussi d'où provient le dioxygène qu'ils utilisent. Enfin, nous essayeront de comprendre les effets de certaines substances nocives (= mauvaises pour la santé) sur l'appareil respiratoire (= ensemble des organes qui permettent de respirer) et quelles sont les conséquences de l'asthme ou du tabagisme sur les poumons.
Problématique: comment l'appareil respiratoire permet-il l'approvisionnement du sang en dioxygène ? Pourquoi certaines substances sont-elles nocives pour l'appareil respiratoire ?
Problème: quel est le trajet de l'air dans l'appareil respiratoire ? par où circule-t-il pour atteindre nos poumons ?
Dans un premier temps, nous allons étudier le trajet de l'air depuis l'atmosphère jusqu'à l'intérieur de nos poumons.
La radiographie ci-dessus permet de mettre en évidence la position des poumons. Les poumons ne sont pas directement visibles mais on peut deviner l'emplacement des deux poumons au niveau des deux zones noires sous les côtes. Voir ci-dessous pour la photo interprétée.
Une expérience très simple permet de déterminer les principales caractéristiques des poumons:
- on coupe un poumon et on l'écrase avec les doigts: on voit apparaitre des bulles et du sang
- on place le morceau de poumon dans l'eau: il flotte.
On peut conclure que le poumon contient du sang (car des gouttes de sang s'en échappe et il est de couleur rouge) et qu'il contient de l'air (car il flotte).
La photo ci-dessous prouve que le poumon contient de l'air.
Ci-dessous, une vidéo résumant les caractéristiques de la respiration et le trajet de l'air dans l'appareil respiratoire.
Ce schéma montre que lorsque le diaphragme et les muscles intercostauds (= muscles situés entre les côtes) se contractent (le diaphragme s'abaisse), l'air pénètre dans les poumons: c'est l'inspiration.
Et lorsque le diaphragme et les muscles intercostauds se relâchent, l'air sort des poumons (le diaphragme remonte et les poumons se vident de leur air): c'est l'expiration.
Le schéma ci-dessous détaille davantage le trajet de l'air à l'intérieur de l'appareil respiratoire (on peut facilement mettre en évidence les différentes parties lors de la dissection de l'appareil respiratoire de la souris, voir la partie TP en bas de page).
Cliquer sur l'image pour l'agrandir.
Nous allons maintenant nous intéresser à l'architecture des poumons de l'Homme. Quelles sont les caractéristiques des poumons qui permettent de respirer ?
Problème: quelle est l'organisation des poumons de l'Homme ?
Après avoir étudié l'anatomie des poumons, nous allons nous intéresser à leur structure. A quoi ressemble une alvéole pulmonaire, pourquoi l'Homme peut-il retenir sa respiration jusqu'à 11 minutes (record du monde en 2012) ? L'étude de poumons au microscope devrait nous permettre de répondre à ces questions.
Cette photo montre une portion d'un poumon de rat. Nous étudions les poumons de rat car ils ressemblent beaucoup à ceux de l'Homme. Ne soyez pas effrayé par l'apparente complexité de la structure des poumons. C'est en fait assez simple.
Ci-dessous, une autre photo interprétée.
Il existe différentes pathologie respiratoires dont la plus connue est l'asthme. Il s'agit d'une contraction importante des bronches associée à la sécrétion abondante de mucus à l'intérieur de celles-ci. L'asthme est causé par des allergies (pollen, poussière, pollutions diverses...). La contraction des bronches entraine une diminution de l'entrée d'air dans les poumons; les alvéoles pulmonaires ne reçoivent pas assez d'air et la personne a l'impression d'étouffer, sa respiration et sifflante et il tousse. Les crises d'asthme sont plus fréquentes la nuit et au petit matin. Comme elles empêchent l'entrée d'un volume suffisant d'air dans les alvéoles pulmonaires, elles peuvent dans les cas les plus graves entraîner une hypoxémie (insuffisance en dioxygène) sévère et une tachycardie (= battements du cœur trop rapides).
Le schéma ci-dessous permet de comprendre les effets de l'asthme sur les bronches. Les flèches vertes correspondent au flux d'air. Les petites flèches à droite indiquent que l'air circule mal dans les bronches durant une crise d'asthme ce qui explique les symptômes/ Des médicaments (Ventoline...) permettent de décontracter les bronches pour améliorer le passage de l'air.
BILAN:
L'appareil respiratoire est un réseau de tubes qui communiquent avec la bouche et le nez et qui se terminent par de minuscules sacs remplis d'air: les alvéoles pulmonaires. L'air pénètre par la bouche ou le nez, puis passe par la trachée, puis par les bronches (il y en a 2), puis par une multitude de bronchioles pour arriver dans les alvéoles pulmonaires.
L'air pénètre dans les poumons lorsque les muscles intercostauds et le diaphragme se contracte (le diaphragme descend) et l'air ressort des poumons lorsque ces mêmes muscles se relâchent.
Des substances peuvent modifier le diamètre des bronches chez certaines personnes (asthmatiques...) et perturbent leur respiration.
Lien vers une animation de l'appareil respiratoire de l'Homme: LIEN.
Problème: existe-t-il une différence de consommation de dioxygène entre le repos et l'activité physique chez l'Homme ?
Nous allons maintenant nous intéresser à la consommation de dioxygène par les humains. Nous utiliserons
le matériel suivant (voir photo ci-dessous) pour faire l'expérience. Un élève servira de cobaye.
Les athlètes professionnels utilisent souvent ce matériel dans le but de mieux connaitre leurs limites et les caractéristiques de leur appareil respiratoire. En classe, nous utilisons un matériel beaucoup plus simple. Cliquez sur la photo pour plus de détails.
Sur le lien suivant (LIEN) vous pouvez effectuer une manipulation en ligne.
Cliquer sur "Expérience 1 (au repos)", vous allez pouvoir mesurer la consommation en dioxygène d'un élève en position de repos (assis sur une chaise, comme les élèves dans une classe). Suivez ensuite les instructions.
A la fin de l'expérience, vous obtenez les résultats de la photo ci-contre.
On observe qu'au cours du temps, l'élève consomme de plus en plus de dioxygène (on passe de 0L consommé en début d'expérience, à 0,3L consommé au bout de 30s).
On peut conclure que le corps humain a besoin de consommer du dioxygène pour vivre.
On refait la même expérience, avec le même matériel et le même élève mais cette fois lorsque celui-ci est en activité (il fait des flexions des genoux sur place).
Cliquer sur "Expérience 2 (en activité)". Vous allez mesurer la consommation de dioxygène par cet élève. Suivre les instructions à l'écran.
On observe que la consommation de dioxygène augmente au cours du temps, on passe de 0 litres consommés en début d'expérience, à 0,5 litre consommé au bout de 30s.
Si on compare par rapport à la première expérience, on peut conclure que la consommation de dioxygène augmente au cours d'un effort physique par rapport au repos (0,5 litres consommé au lieu de 0,3 litres).
Nous allons maintenant étudier l'air qui entre dans nos poumons et les caractéristiques de la respiration.
Le graphique ci-dessus résume les différentes mesures effectuées lors de ces 2 expériences.
Les graphiques ci-dessous montrent le résultat des mesures du volume d'air inspiré puis expiré effectuées lors d'un effort modéré et lors d'un effort intense.
Lors d'un mouvement respiratoire (une inspiration suivie d'une expiration) au repos, le volume d'air inspiré et expiré est faible: à peine 0,3L. Mais lors d'un effort physique important, le volume d'air prélevé par les poumons augmente beaucoup: il passe à plus de 1L. Ce renouvellement d'air est appelé la ventilation pulmonaire.
Lien vers une animation montrant la ventilation pulmonaire: LIEN.
BILAN: Le dioxygène présent dans l'air est prélevé en permanence par l'appareil respiratoire: c'est la respiration. La respiration est divisée en deux mouvements respiratoires: l'inspiration et l'expiration. Lors de l'inspiration, l'air entre dans les poumons, et lors de l'expiration, l'air ressort des poumons.
Nous venons de voir le trajet de l'air dans nos poumons. Mais lorsque ce gaz arrive dans nos alvéoles pulmonaires, que devient-il ? Et comment le dioxygène contenu dans l'air alvéolaire arrive-t-il jusqu'aux organes ?
Problème: que devient l'air qui pénètre dans nos poumons ?
La dissection de l'appareil respiratoire de la souris et l'observation microscopique de poumon de rat montre qu'ils possèdent de nombreux vaisseaux sanguins. Un poumon humain contient 350 millions d'alvéoles pulmonaires (autant que d'habitant dans l'union européenne), soit 700 millions d'alvéoles pulmonaires pour les deux poumons. De plus, chaque alvéole pulmonaire possède un capillaire sanguin qui l'irrigue en sang. Enfin, la paroi des alvéoles est très fine (plus fine qu'une cheveux: de 0,5 à 1 micromètre d'épaisseur: un feuille de papier est 10X plus épaisse!). On peut donc supposer que l'alvéole pulmonaire est une bonne surface d'échange gazeux entre l'air de l'alvéole et le sang des capillaires.
Le schéma ci-dessus montre l'ensemble de l'appareil respiratoire et détaille les vaisseaux sanguins qui entourent chaque alvéole pulmonaire. Et le schéma à gauche détaille les bronchioles et les alvéoles pulmonaires. On observe que chaque alvéole est entourée de capillaires: il existe donc un très grand nombre de capillaires dans les poumons. Les alvéoles pulmonaires sont donc fortement irriguées.
Le tableau ci-dessous présente les mesures de la quantité de dioxygène présent dans le sang qui entre les les poumons et du sang qui ressort des poumons.
| Quantité de dioxygène du sang entrant dans les poumons | Quantité de dioxygène du sang sortant des poumons |
|
15 mL pour 100 mL de sang |
20 mL pour 100mL de sang |
Le schéma ci-dessous montre les mesures de la quantité de dioxygène dans le sang arrivant et repartant des alvéoles pulmonaires, ainsi que les mesures du O2 contenu dans l’air inspiré et expiré.
On observe que le sang qui entre dans les poumons est pauvre en dioxygène (15mL pour 100mL de sang) alors que le sang qui sort des poumons est riche en dioxygène (20mL pour 100mL de sang). Le sang qui sort des poumons a été enrichi en dioxygène. Mais d'où provient le dioxygène ? il provient de l'air inspiré: car dans l'air inspiré il y a 21% de O2 alors que l'air expiré n'en contient plus que 15%.
On peut conclure que c'est le dioxygène de l'air inspiré qui passe dans le sang au niveau des alvéoles pulmonaires et enrichi le sang en dioxygène.
BILAN:
Les échanges gazeux respiratoires sont assurés par les poumons, ils ont lieu au niveau des alvéoles pulmonaires. Les mouvements respiratoires (inspiration et expiration) permettent le renouvellement de l'air dans les alvéoles pulmonaires. Le dioxygène de l'air contenu dans les alvéoles va passer au travers de la paroi des alvéoles (qui constituent la surface d'échange gazeux: elles sont nombreuses, fines et richement irriguées) jusque dans le sang des capillaires. Le sang est ainsi enrichi en dioxygène et il sera transporté vers tous les organes du corps.
BONUS: une vidéo sur la respiration:
Problème: quelles sont les substances nocives pour le fonctionnement de l'appareil respiratoire ?
Pour vivre, un être humain a besoin d'environ environ 15 000 litres d'air chaque jour. Cela représente entre 12
et 18 kg d'air !
La composition normale de l'air est :
- 78 % d'azote (N)
- 21 % d'oxygène (O)
- 1 % d'autres gaz
Si cette composition change (trop de certains gaz ou particules dans l'air), on parle de pollution. Elle peut être naturelle (fumée des volcans, pollen des végétaux)
mais le plus souvent elle est d'origine humaine.
La pollution de l'air s'est accélérée fortement depuis la révolution
industrielle au XIXème siècle. Et depuis cette époque, elle ne fait que croitre.
Les polluants atmosphériques néfastes pour la santé se présentent sous forme de gaz et de particules respirables.
Quatre gaz sont les principaux responsables de la pollution4,5 :
- l’ozone (O3)
- le dioxyde d’azote (NO2)
- le dioxyde de soufre (SO2)
- le monoxyde de carbone (CO)
À eux s’ajoutent d’autres polluants chimiques comme les métaux lourds et les composés organiques volatils (COV) qui comprennent des produits nocifs tels le benzène et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (qui sont aussi cancérogènes).
Les particules fines désignent un mélange de particules solides et liquides en suspension dans l’air. Plus elles sont petites, plus elles peuvent être toxiques parce qu’elles pénètrent alors plus profondément dans le système respiratoire (poumons et les voies respiratoires) et peuvent même atteindre le système cardiovasculaire (coeur et vaisseaux sanguins).
En France,depuis la loi LAURE, la loi sur l’air et l’utilisation rationnelle de l’énergie, en 1996, la surveillance de la qualité de l'air a été rendue obligatoire. Un réseau de capteurs surveille dans chaque région la concentration de 12 polluants atmosphériques : les oxydes d’azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2), l’ozone (O3), le benzène, le monoxyde de carbone (CO).
Ci-dessous, en cliquant sur l'image, vous obtiendrez les caractéristiques des prinicpaux polluants présents dans l'air.
Sur le graphique ci-dessus, on observe que les fumées noires (contenant du goudron) présentes dans l'atmosphère et provenant des gaz de pots d'échappement des voitures ou des usines et des fumées de cigarettes augmentent le risque de mortalité des gens de 3%. Ce graphique montre que certaines substances présentes dans l'air que nous respirons entrainent une surmortalité chez les humains. ces substances proviennent des activités humaines.
Dès que les beaux jours reviennent, une couche de pollution est visible sur toute l'agglomération parisienne. C'est une couche de pollution, brune-orangée, qui masque le ciel (on se croirait en plein brouillard) et pique les yeux et le nez. Les asthmatiques ont souvent des allergies plus importantes et une respiration plus difficile à ce moment là. Cette pollution provient essentiellement des véhicules.
Les véhicules qui fonctionnent au diesel sont les plus polluants, mais comme le diesel est moins cher à l'achat, la majorité des véhicules en France (80%) roulent au diesel et participent à la pollution. C'est pourquoi il est indispensable de prendre les transports en commun (bus, métro, tramway, RER...) et d'utiliser la voiture le moins possible en espérant que le gouvernement prenne des mesures pour diminuer la pollution atmosphérique (ce qui coûte très cher et prend du temps).
La Chine est le plus grand pollueur au monde. Ce pays est en plein développement économique, ce qui entraine une industrialisation importante du pays, et l'achat de véhicules par la population (qui roulait auparavant en vélo). Cela entraine de graves conséquences sanitaires (pollution très importante, beaucoup plus qu'en Europe; et la mort de dizaines de milliers de personnes chaque année) et de graves conséquences environnementales (pollution très importante du sol et des cours d'eau ainsi que disparition de nombreuses espèces animales et végétale).
Ce problème est récurrent sur toute la planète. De plus le rejet de gaz à effet de serre dans notre atmosphère entraine un réchauffement climatique dont les conséquences seront catastrophiques pour toute l'humanité.
Comment améliorer la qualité de l'air et diminuer la pollution atmosphérique ?
L'air ne connaît pas de frontière. Les polluants circulent avec les vents,et retombent au sol, sont pris en charge par les rivières jusqu’aux mers. Ainsi, certaines régions arctiques, pourtant peu habitées sont presque aussi polluées que des villes !
Aussi la précaution consiste à surveiller la pollution de l’air et à limiter les émissions à la source.
Trois types d'action peuvent être envisagées:
- L'action des pouvoirs publics
Les pouvoirs publics agissent à différents niveaux pour améliorer la qualité de l’air :
- au niveau régional : dans chaque région, un Plan régional pour la qualité de l’air définit les orientations pour améliorer la qualité de l’air en la surveillant et en maîtrisant les émissions polluantes ;
- au niveau national, le Plan National Santé Environnement 2 a été renforcé par le Grenelle de l’Environnement, avec pour objectif de réduire de 30 % les particules nocives dans l’air d’ici 2015.
- au niveau européen, des plafonds annuels d’émission sont fixés pour chaque pays, qui sont tenus de mettre en place des
mesures sur leur territoire pour les respecter.
- L'action des industriels
Côté industriels, ils sont tenus de respecter certaines réglementations et de développer des technologies qui limitent la pollution de l’air. C’est notamment ce qu’il se passe avec les moteurs de voitures, qui au fil de l’histoire, ont évolué pour améliorer les pots catalytiques et ainsi rejeter de moins en moins de polluants.
Une taxe générale sur les activités polluantes (TGAP) a été créée en 1999, elle a pour but de dissuader les industriels de polluer car plus leur activité pollue, plus la taxe est élevée.
- L'action des citoyens
Enfin, nous, les citoyens, pouvons agir pour limiter la pollution de l’air. Nous pouvons par exemple éviter d’avoir recours à des transports motorisés quand on peut se déplacer en vélo ou à pied.
Les mesures mises en place ont permis de diminuer certaines pollutions (les rejets de dioxyde de soufre ont chuté de 85 % depuis 1980). Cependant, il est nécessaire de continuer ces efforts car la pollution atmosphérique est toujours présente.
BILAN:
La pollution atmosphérique (ozone, gaz d'échappement, etc.) et le tabagisme (même le tabagisme passif !) sont à l'origine de maladies graves. Il faut donc réduire la pollution (usines et voitures) et ne pas commencer à fumer.
Le fonctionnement de l’appareil respiratoire peut être perturbé par des substances nocives plus ou moins abondantes dans l’environnement (ex. : goudron de la fumée de tabac, polluants de l’air). Ces substances nocives favorisent l’apparition de certaines maladies (ex. cancer des poumons).
-TP: lien entre l'activité physique et les paramètres de la respiration: lien
Animation sur l'approvisionnement du sang en dioxygène: une animation pour comprendre le fonctionnement de l'appareil respiratoire: lien
Voici ci-dessous la vidéo de la dissection de l'appareil respiratoire de la souris (un mammifère comme l'Homme). Le schéma explicatif est sur la droite.
EXPOSE SUR LA CIGARETTE, LE TABAGISME PASSIF ET LES DANGERS DE LA FUMEE
Pour le prochain cours (dans une semaine), vous présenterez les effets de la cigarette sur l’appareil respiratoire au tableau. Pour cela vous travaillerez par groupes de 4 et vous ferez des recherches au CDI ou sur internet et vous présenterez votre travail sur une feuille format A3 (fournie par le professeur).
Après avoir présenté votre exposé, vos camarades devront avoir les réponses aux questions suivantes :
- Pourquoi les gens se mettent à fumer ?
- Qu’est-ce que le tabac, quelles substances contient-il ?
- Pourquoi la cigarette est-elle nocive pour la santé ? Qu'est-ce que le tabagisme passif ? (quels sont ces effets ?)
- Comment lutter contre le tabagisme ?
Pour y arriver, vous devrez suivre le protocole de recherche ci-dessous:
1) Recherchez une définition du mot tabac. (1point)
2) La cigarette :
a) Citez les substances présentes dans une cigarette. Pour chaque substance que vous prenez en exemple, indiquer ses effets sur l’organisme. (3 points)
b) Recherchez la photographie d’un poumon de fumeur puis comparez-le à celui d’un non fumeur. (2pt)
3) Le tabagisme passif :
a) Expliquez en quelques mots à quoi correspond ce terme. (1point)
b) Comment peut-on lutter contre ce tabagisme passif (1 point)
4) Lutter contre le tabagisme :
a) Cherchez des moyens utilisés pour lutter contre le tabagisme (individuels et collectifs). (2points)
b) Quelle est la nouvelle loi anti-tabac applicable depuis le 1erjanvier 2008 (+ livre p93). (1point)
c) Recherchez la proportion de fumeurs dans la population d’aujourd’hui et il y a une quinzaine d’années. Décris cette évolution. (2points)
d) Rédigez un conseil permettant de dissuader une personne de fumer. (1 point)
5) Pollution de l’air et santé :
Recherchez dans le livre de SVT p94 et p95, les conséquences de la pollution de l’air sur la santé des citadins (2 points)
Illustration, présentation générale, orthographe : 4 points.
ATTENTION : vous devez faire un plan en 3 parties ( I, II et III) et vous devez trouver une problématique à votre exposé. Je vous conseille donc de répondre aux différentes
questions en essayant de les placer dans une des trois parties.
Lien vers une brochure utile pour l'exposé: lien.
SITES POUVANT ETRE UTILISES POUR FAIRE UN EXPOSE SUR LA CIGARETTE:
- Tabac-Infos-Services: LIEN.
- Statistiques sur la cigarette et le tabagisme: LIEN.
- Conséquences du tabagisme passif sur l'audition des enfants: LIEN.
- Homeotox: dépendance, toxicomanie, conduites addictives: LIEN.
- Images et explications sur les effets du goudron sur les poumons: LIEN.
- Lutte contre le tabac: LIEN.
- Lutte contre le tabagisme: LIEN.
- Comité national contre le tabagisme: LIEN.
- Site très complet sur les dangers du tabac: LIEN.
- Site sur les effets positifs de l'arrêt du tabagisme: LIEN.
- Qualité de l'air de Paris et sa région: LIEN.
- Qualité de l'air de la région Aquitaine: LIEN.
- Qualité de l'air sur toute la France (Carte): LIEN.
- Site du gouvernement sur la pollution et la qualité de l'air: LIEN.
IMAGES ET SCHEMAS UTILES:
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Christelle Khairallah (vendredi, 16 novembre 2018 18:39)
bonjour j'aimerais bien apprendre sur le corps humain sur la cigarette sur les échos surtout à prendre surtout ce que les images que vous avez mis sur Internet
mouizou07@gmail.com (lundi, 18 février 2019 13:21)
cool la leçon