Les Sciences - programme de cinquième
Physique-chimie, sciences de la vie et de la Terre, technologie
Leçon 7 - La respiration des êtres vivants et l’occupation des milieux
Pourquoi une truite ne vit pas dans une mare tiède, et pourquoi une araignée peut vivre sous l’eau
La respiration des êtres vivants
et l’occupation des milieux
Respirer semble la chose la plus ordinaire du monde. Tu le fais environ quinze fois par minute sans y penser, et tu ne t’en aperçois que lorsque le souffle vient à manquer, après une course ou en montagne.
Pourtant, derrière ce geste banal se cache une des questions les plus intéressantes de la biologie. Le chêne du jardin respire, le champignon sous les feuilles respire, la truite du torrent respire, et pourtant pas un seul d’entre eux ne possède de poumons comme les tiens. Mieux : certains animaux vivent sous l’eau toute leur vie tout en respirant de l’air, et d’autres passent d’un système à l’autre au cours de leur existence.
Ce cours part d’une définition simple, puis suit une piste qui traverse six chapitres : comprendre ce que respirer veut dire, mesurer ce que contiennent l’air et l’eau, examiner les organes qui font le travail, observer les mouvements qui les alimentent, et finir par la question qui donne son titre au chapitre le plus riche : pourquoi tel être vivant se trouve-t-il ici, et pas ailleurs ?
🗺️ Le chemin que nous allons suivre
- Respirer, c’est échanger deux gaz - la définition, et comment la prouver
- Deux réservoirs très inégaux : l’air et l’eau - le dioxygène dissous et ce qui le fait varier
- Les organes de la respiration - poumons, branchies, trachées, peau
- Ventiler : renouveler l’air ou l’eau - les mouvements respiratoires et le contre-courant
- Le milieu de vie n’est pas le milieu de respiration - baleines, dytiques, argyronètes, têtards
- Pourquoi tel être vivant vit-il là et pas ailleurs - de la source à l’estuaire
Respirer, c’est échanger deux gaz
Commençons par une expérience de pensée. Place côte à côte un être humain, une truite, un chêne et un champignon de couche. Cherche ce que ces quatre-là ont réellement en commun. La forme ? Rien à voir. Le mouvement ? Deux bougent, deux ne bougent pas. La nourriture ? Le chêne fabrique la sienne, les trois autres la prélèvent. À première vue, la liste des points communs paraît courte.
Elle contient pourtant un élément décisif, et cet élément est invisible. Tous les quatre prélèvent en permanence un gaz dans le milieu qui les entoure, et tous les quatre y rejettent un autre gaz. Ce double mouvement porte un nom, et ce nom est le sujet du cours.
La respiration est un ensemble d’échanges de gaz entre un être vivant et son milieu : l’organisme prélève du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone. Ces deux mouvements portent le nom d’échanges gazeux respiratoires.
Le dioxygène, noté O2, et le dioxyde de carbone, noté CO2, sont deux gaz présents à la fois dans l’air et, en quantité bien moindre, dissous dans l’eau. Dans le langage courant, le dioxygène est souvent appelé simplement « oxygène ».
Comment montrer qu’un être vivant respire
Affirmer qu’un champignon respire ne coûte rien. Le démontrer demande un dispositif. Le principe repose sur un réactif que tu connais peut-être déjà : l’eau de chaux, un liquide limpide qui devient trouble, laiteux, dès qu’il rencontre du dioxyde de carbone. Cette réaction constitue un signal visible d’un phénomène invisible.
Le montage consiste à enfermer un être vivant dans une enceinte close contenant une coupelle d’eau de chaux. Au bout d’un moment, l’eau de chaux se trouble. Mais cette observation, seule, ne prouve encore rien : peut-être le trouble serait-il apparu de toute façon, sous l’effet du dioxyde de carbone déjà présent dans l’air de l’enceinte. Il manque une pièce essentielle.
Un témoin est un dispositif identique en tout point au montage étudié, sauf sur un seul élément : celui dont l’effet est recherché. Comparer les deux permet d’attribuer la différence observée à ce seul élément.
La deuxième enceinte est donc préparée en tous points comme la première, à ceci près qu’elle reste vide de tout être vivant. Au bout d’une heure, l’eau de chaux de l’enceinte A est trouble et celle de l’enceinte B demeure limpide. La conclusion devient alors solide : le dioxyde de carbone supplémentaire provient de l’être vivant enfermé, et de rien d’autre.
Une seconde mesure complète la première. Une sonde à dioxygène, placée dans chaque enceinte, montre que la teneur baisse dans l’enceinte A et reste stable dans l’enceinte B. Les deux moitiés de la définition sont ainsi vérifiées séparément : prélèvement d’un gaz d’un côté, rejet d’un autre gaz de l’autre.
Ce que ton propre souffle raconte
Tu n’as pas besoin de laboratoire pour retrouver ce résultat sur toi-même. L’air qui entre dans tes poumons et celui qui en ressort n’ont pas la même composition, et l’écart se mesure sans difficulté.
| Gaz | Air inspiré | Air expiré | Ce que cela signifie |
|---|---|---|---|
| Diazote | environ 78 % | environ 78 % | Inchangé : ce gaz traverse le corps sans être utilisé |
| Dioxygène | environ 21 % | environ 16 % | En baisse : une partie a été prélevée |
| Dioxyde de carbone | environ 0,04 % | environ 4 % | Multiplié par une centaine : il a été produit |
| Vapeur d’eau | variable | saturé | L’air ressort chaud et chargé d’humidité |
Deux détails de ce tableau méritent un arrêt. Le premier concerne le diazote : il constitue les quatre cinquièmes de l’air, et pourtant il ressort en quantité identique. Un gaz abondant n’est pas forcément un gaz utile. Le second concerne le dioxygène : l’air expiré en contient encore environ seize pour cent, c’est-à-dire les trois quarts de ce qui était entré. Le corps est loin de vider l’air de sa richesse.
Cette dernière remarque a une conséquence qui sauve des vies. Puisque l’air expiré contient encore environ seize pour cent de dioxygène, souffler cet air dans les poumons d’une personne qui ne respire plus lui apporte une quantité suffisante pour tenir. C’est le principe du bouche-à-bouche, enseigné dans les formations aux premiers secours. Un secouriste qui expire dans les voies aériennes d’une victime ne lui donne pas de l’air « usé » : il lui transmet un air encore largement respirable.
À quoi sert le dioxygène une fois entré ?
La question mérite d’être posée, car la définition donnée plus haut décrit un échange sans dire à quoi il sert. Le dioxygène ne s’arrête pas dans les poumons : il gagne le sang, puis chaque organe, puis chaque cellule. Là, il participe à une transformation chimique qui consomme les nutriments issus de la digestion et libère l’énergie qu’ils contiennent. Cette transformation porte le nom de respiration cellulaire.
Le cours no 6 a établi que l’énergie ne se crée pas : elle se convertit d’une forme en une autre. La respiration cellulaire en offre un exemple direct. L’énergie chimique stockée dans les aliments y devient énergie disponible pour les muscles, pour la fabrication de nouvelles cellules et pour le maintien de la température du corps. Le dioxygène est le réactif qui rend cette conversion possible, et le dioxyde de carbone en est le produit à évacuer.
Cette précision explique un fait quotidien. Lorsque tu cours, tes muscles réclament davantage d’énergie, donc davantage de dioxygène, donc ta respiration s’accélère et s’approfondit. Le rythme respiratoire suit la demande des cellules : il ne s’agit pas d’un réflexe décoratif, mais d’un ajustement d’approvisionnement.
La respiration
Prélever du dioxygène, rejeter du dioxyde de carbone. Se produit chez tous les êtres vivants étudiés dans ce cours, jour et nuit, sans interruption.
La photosynthèse
Fabriquer de la matière organique à partir de dioxyde de carbone et d’eau, en rejetant du dioxygène. Se produit uniquement dans les parties vertes des végétaux, et uniquement à la lumière.
Une plante verte réalise donc les deux à la fois pendant la journée. La nuit, la photosynthèse s’arrête et la respiration continue seule. Voilà pourquoi une plante placée dans une pièce close consomme du dioxygène pendant la nuit, comme le ferait un animal.
Au début des années 1770, le chimiste anglais Joseph Priestley avait observé quelque chose de troublant. Une souris enfermée sous une cloche finit par y mourir, et une bougie finit par s’y éteindre ; mais si l’on place une plante sous la cloche, l’air redevient capable d’entretenir la flamme. La plante semblait donc « réparer » l’air. Le problème était que Priestley ne parvenait pas à reproduire son résultat de façon régulière : tantôt l’expérience réussissait, tantôt elle échouait, sans raison apparente.
Jan Ingenhousz, médecin né à Breda en 1730, reprit la question. Pendant l’été 1779, il enchaîna plus de cinq cents expériences, en remplaçant les plantes entières par des feuilles détachées plongées dans l’eau. Il vit alors des bulles se former sous la face inférieure des feuilles exposées au soleil, et cessa de les voir dès que l’obscurité revenait. Il recueillit ce gaz et constata qu’une mèche fumante s’y rallumait vivement : c’était du dioxygène.
Ingenhousz publia ses résultats la même année, sous un titre qui dit tout : Expériences sur les végétaux, découvrant leur grand pouvoir de purifier l’air ordinaire au soleil, et de le vicier à l’ombre et pendant la nuit. Il avait trouvé la clé qui manquait à Priestley. Les végétaux font bien deux choses différentes : à la lumière, leurs parties vertes libèrent du dioxygène ; à l’obscurité, comme tout être vivant, ils en consomment. L’irrégularité des résultats de Priestley venait d’un facteur qu’il n’avait pas contrôlé : la lumière.
- Respirer consiste à prélever du dioxygène dans le milieu et à y rejeter du dioxyde de carbone.
- Ces échanges se démontrent par l’eau de chaux et par une sonde, à condition de comparer le montage à un témoin.
- L’air expiré contient moins de dioxygène et beaucoup plus de dioxyde de carbone que l’air inspiré ; le diazote, lui, traverse le corps sans changement.
- Le dioxygène sert, dans les cellules, à libérer l’énergie contenue dans les aliments.
- Respiration et photosynthèse sont deux phénomènes distincts ; les végétaux verts réalisent les deux le jour, et la respiration seule la nuit.
Deux réservoirs très inégaux : l’air et l’eau
Le chapitre précédent a montré que tout être vivant prélève du dioxygène dans son milieu. Reste une question que la définition laissait de côté : ce milieu en contient-il beaucoup ? La réponse dépend entièrement de sa nature, et l’écart entre l’air et l’eau est considérable.
Le dioxygène de l’eau n’est pas celui de la molécule d’eau
Une erreur revient souvent, et elle vaut la peine d’être écartée tout de suite. Un poisson ne casse pas les molécules d’eau pour en extraire l’oxygène qu’elles contiennent. L’eau, dont la formule s’écrit H2O, renferme bien des atomes d’oxygène, mais ceux-ci sont liés aux atomes d’hydrogène et demeurent inaccessibles à un être vivant. Ce que le poisson prélève est tout autre chose : du dioxygène dissous, c’est-à-dire des molécules de gaz venues de l’atmosphère et glissées entre les molécules d’eau.
Le dioxygène dissous est le gaz O2 présent dans l’eau sous forme de molécules dispersées, sans réaction chimique avec elle. Il provient de l’atmosphère, par la surface, et des végétaux aquatiques qui en libèrent à la lumière. Sa quantité se mesure en milligrammes par litre d’eau, notés mg/L.
Le cours sur les mélanges aqueux a établi ce qu’est une dissolution : un soluté se disperse dans un solvant jusqu’à former un mélange homogène, et cette dispersion connaît une limite appelée saturation. Le dioxygène de l’eau obéit à ces mêmes règles. La différence tient au fait que le soluté est ici un gaz, et que sa solubilité se comporte à l’inverse de celle du sucre : elle diminue quand la température augmente.
Combien y en a-t-il, au juste ?
Les nombres sont plus éloquents qu’un long discours. Un litre d’air, à vingt degrés, contient environ 280 milligrammes de dioxygène. Un litre d’eau douce à la même température, en équilibre avec l’atmosphère, en contient environ 9 milligrammes. L’eau détient donc à peu près trois pour cent de ce que détient l’air, soit une trentaine de fois moins.
Cet écart, à lui seul, éclaire une grande partie de la biologie aquatique. Un animal qui vit dans l’eau doit faire passer sur sa surface d’échange un volume de milieu bien supérieur à celui qu’un animal terrestre fait passer dans ses poumons, pour récolter la même quantité de gaz.
Un milieu lourd et épais
Le problème ne s’arrête pas à la pauvreté du réservoir, car le milieu lui-même oppose une résistance. À vingt degrés, l’eau est environ 830 fois plus dense que l’air et environ 55 fois plus visqueuse. Déplacer de l’eau coûte donc bien davantage que déplacer de l’air.
Additionne les deux difficultés et la situation d’un poisson devient claire : il doit faire circuler un milieu pauvre en dioxygène, et ce milieu résiste au déplacement. C’est pour cette raison que la ventilation d’un animal aquatique consomme une part de son énergie sensiblement plus grande que celle d’un mammifère terrestre, et cela explique aussi que les branchies soient des organes d’une efficacité remarquable. Le chapitre 4 y reviendra en détail.
Cette différence de densité a une autre conséquence, moins attendue. Un poisson sorti de l’eau ne meurt pas parce qu’il manquerait de dioxygène autour de lui : l’air en contient trente fois plus que l’eau qu’il vient de quitter. Il meurt parce que ses branchies, privées de la poussée de l’eau, s’affaissent les unes sur les autres comme les pages d’un livre mouillé. La surface d’échange s’effondre, se dessèche, et les gaz ne traversent plus. Le poisson étouffe donc au milieu de l’abondance.
Ce qui fait varier la teneur en dioxygène d’une eau
La valeur de 9 mg/L citée plus haut correspond à une eau douce, à vingt degrés, au niveau de la mer, et en équilibre avec l’atmosphère. Chacune de ces conditions peut changer, et la teneur change avec elle.
| Facteur | Effet sur la teneur en dioxygène | Pourquoi |
|---|---|---|
| Température qui monte | Elle baisse | L’agitation des molécules facilite le départ du gaz vers l’atmosphère |
| Agitation de l’eau (cascade, rapides, vent) | Elle monte | La surface de contact avec l’air augmente et se renouvelle sans cesse |
| Végétaux aquatiques, le jour | Elle monte | La photosynthèse libère du dioxygène dans l’eau |
| Végétaux aquatiques, la nuit | Elle baisse | La photosynthèse cesse, la respiration se poursuit |
| Matière organique en décomposition | Elle baisse | Les bactéries qui la décomposent consomment du dioxygène |
| Sel dissous (eau de mer) | Elle baisse | Les ions occupent la place disponible entre les molécules d’eau |
| Altitude qui monte | Elle baisse | La pression de l’air diminue, donc la quantité de gaz qui se dissout aussi |
Les troisième et quatrième cas méritent une remarque. Dans un étang riche en plantes, la teneur en dioxygène suit un cycle quotidien : elle grimpe au fil de la journée, atteint son maximum en fin d’après-midi, puis décline toute la nuit pour toucher son minimum juste avant l’aube. Les heures qui précèdent le lever du jour sont donc les plus difficiles pour les animaux de l’étang. Un pisciculteur qui surveille ses bassins le sait : c’est à ce moment-là qu’il faut mesurer.
Remplis un verre d’eau froide au robinet et laisse-le sur une table. Au bout d’une demi-heure, de fines bulles tapissent les parois. Ces bulles ne sortent pas de nulle part : l’eau du robinet est froide et sous pression, donc chargée en gaz dissous. En se réchauffant à la température de la pièce et en revenant à la pression ordinaire, elle ne peut plus les retenir, et ils se rassemblent en bulles sur les aspérités du verre.
Tu observes ici le phénomène décrit dans le tableau : une eau qui se réchauffe rend une partie du gaz qu’elle contenait. C’est la même règle qui, à l’échelle d’une rivière, chasse la truite des eaux devenues tièdes.
Pendant des siècles, les pêcheurs ont su que certaines eaux nourrissaient du poisson et que d’autres non. Ils parlaient d’eaux « vives » et d’eaux « mortes », sans pouvoir chiffrer la différence. Mesurer un gaz dissous dans un liquide était une opération délicate, et les méthodes disponibles au XIXe siècle donnaient des résultats peu fiables.
En 1888, un étudiant hongrois de vingt-cinq ans, Lajos Winkler, né à Arad et formé à l’université de Budapest, publia une méthode qui régla la question. Son procédé consistait à piéger chimiquement le dioxygène présent dans un échantillon d’eau, puis à mesurer par un dosage la quantité ainsi capturée. Le résultat s’obtenait avec une précision qui n’avait pas d’équivalent.
La méthode de Winkler a conservé son nom, et elle sert encore. Les laboratoires qui suivent la qualité des rivières et des océans emploient aujourd’hui des sondes électroniques, mais ils vérifient régulièrement l’étalonnage de ces sondes par un dosage de Winkler. Une méthode conçue par un étudiant en 1888 sert donc de référence à des instruments qui la dépassent en rapidité.
- Les animaux aquatiques prélèvent du dioxygène dissous, venu de l’atmosphère et des végétaux ; ils ne décomposent pas la molécule d’eau.
- À vingt degrés, un litre d’air contient environ 280 mg de dioxygène et un litre d’eau environ 9 mg, soit une trentaine de fois moins.
- L’eau est en outre bien plus dense et plus visqueuse que l’air : la faire circuler coûte cher.
- La teneur en dioxygène d’une eau baisse quand la température monte, quand la matière organique abonde, et pendant la nuit ; elle monte avec l’agitation et avec la photosynthèse diurne.
Les organes de la respiration
Un poumon, une branchie, une trachée d’insecte et la peau d’un ver de terre n’ont, en apparence, pas grand-chose de commun. L’un est enfoui dans une cage thoracique, l’autre s’étale en lames rouges sous un opercule, le troisième forme un réseau de tubes microscopiques, et le dernier n’est même pas un organe. Pourtant, ces quatre dispositifs résolvent le même problème et respectent les mêmes contraintes physiques.
Une surface d’échange respiratoire est la zone de contact où le dioxygène passe du milieu extérieur vers l’intérieur de l’organisme, et où le dioxyde de carbone effectue le trajet inverse. Ce passage se fait par diffusion : chaque gaz se déplace spontanément de la zone où il est le plus concentré vers celle où il l’est le moins.
Quatre exigences que rien ne contourne
La diffusion est un phénomène lent et de courte portée. Pour qu’elle suffise à alimenter un organisme entier, la surface d’échange doit satisfaire quatre conditions simultanées. Ces conditions valent pour tous les animaux, quelle que soit leur taille et quel que soit leur milieu.
La finesse, d’abord : la paroi qui sépare le milieu du sang mesure, chez l’être humain, moins d’un millième de millimètre. L’humidité, ensuite : les gaz ne traversent une membrane vivante qu’après s’être dissous dans le film liquide qui la recouvre. L’étendue, puisque la quantité de gaz échangée dépend directement de la surface disponible. Enfin l’irrigation : si le dioxygène qui vient d’entrer n’est pas emporté aussitôt, la différence de concentration s’annule et la diffusion s’arrête.
Cette dernière exigence explique pourquoi respiration et circulation sanguine forment un couple inséparable chez la plupart des animaux. Le sang joue le rôle d’un tapis roulant : il évacue en permanence ce qui arrive, et maintient ainsi le déséquilibre qui fait avancer les gaz.
Les quatre grands dispositifs
| Dispositif | Chez qui | Comment la surface est agrandie | Milieu où il fonctionne |
|---|---|---|---|
| Poumons | Mammifères, oiseaux, reptiles, amphibiens adultes | Repliement interne en une multitude de petites cavités | Air |
| Branchies | Poissons, crustacés, mollusques aquatiques, larves d’amphibiens | Déploiement externe en lames superposées, très finement divisées | Eau |
| Trachées | Insectes, mille-pattes, araignées | Ramification de tubes qui pénètrent jusqu’au contact des cellules | Air |
| Tégument (la peau) | Vers de terre, sangsues, amphibiens en complément | Pas d’agrandissement : le corps reste mince ou aplati | Air humide ou eau |
La logique du tableau se lit de gauche à droite. Un poumon replie sa surface vers l’intérieur, ce qui la protège du dessèchement : solution adaptée à l’air, qui assèche. Une branchie déploie sa surface vers l’extérieur, ce qui l’expose au maximum de milieu : solution adaptée à l’eau, qui est pauvre. Deux stratégies opposées, chacune cohérente avec la contrainte de son milieu.
Demande à voir un poisson entier, une dorade ou un maquereau par exemple, et soulève délicatement le volet osseux placé derrière la tête : l’opercule. Tu découvres en dessous quatre arcs rouge vif disposés l’un derrière l’autre. Ce sont les arcs branchiaux : chaque poisson osseux en porte quatre de chaque côté.
Regarde-les de plus près. Chaque arc porte deux rangées de filaments serrés, et chaque filament se subdivise à son tour en lamelles minuscules. Ce triple emboîtement est la manière dont la branchie résout l’exigence d’étendue : en divisant sa surface trois fois de suite, elle loge dans quelques centimètres cubes une aire d’échange bien plus grande que celle de la peau du poisson entier.
Leur couleur répond à une autre exigence, celle de l’irrigation : ce rouge vient du sang, qui circule à quelques millièmes de millimètre de l’eau. Enfin, la comparaison avec un poisson resté longtemps hors de l’eau montre la quatrième : les filaments desséchés se collent les uns aux autres et forment une masse compacte, où l’eau ne circulerait plus.
Le poumon humain en chiffres
Chaque poumon se termine par des sacs minuscules appelés alvéoles, entourés d’un lacis de vaisseaux si fins que les globules rouges y circulent presque à la file. Un adulte en possède environ 480 millions, avec des écarts importants d’une personne à l’autre. Déployée, la surface totale de ces alvéoles avoisine 70 mètres carrés, soit à peu près l’emprise d’un grand appartement, repliée dans une cage thoracique.
Beaucoup de livres annoncent pour cette surface une valeur de 200 mètres carrés, souvent accompagnée de la comparaison avec un court de tennis. Ce chiffre vient d’estimations anciennes, obtenues par des méthodes de mesure qui surestimaient le repliement des parois. Les travaux menés depuis les années 2000, fondés sur des comptages au microscope, donnent plutôt un ordre de grandeur de 70 mètres carrés.
Retiens surtout la démarche : un chiffre imprimé dans un livre reste une mesure, et une mesure peut être révisée. La bonne question n’est pas « quel est le vrai chiffre ? » mais « comment a-t-il été obtenu, et quand ? ».
Le cas du ver de terre
Le ver de terre ne possède ni poumon, ni branchie, ni trachée. Les gaz traversent directement sa peau, maintenue humide par un mucus qu’il sécrète en permanence, et un réseau de vaisseaux très proches de la surface emporte le dioxygène vers le reste du corps. Cette solution impose une contrainte stricte : le rapport entre la surface du corps et son volume doit rester élevé, ce qui interdit toute épaisseur importante. Un ver de terre est long, mais fin.
Elle impose aussi de rester humide, sous peine de voir les échanges s’interrompre. Voilà pourquoi les vers de terre vivent dans le sol et sortent surtout par temps de pluie ou la nuit. Les raisons précises de ces sorties après la pluie font encore l’objet de discussions chez les spécialistes : manque de dioxygène dans un sol gorgé d’eau, facilité de déplacement en surface humide, ou signaux de vibration interprétés par le ver. Le fait est constaté ; son explication complète ne l’est pas.
En 1628, le médecin anglais William Harvey avait démontré que le sang circule en boucle : il quitte le cœur par les artères et y revient par les veines. Sa démonstration était solide, mais incomplète, et il le savait. Il manquait un maillon : comment le sang passe-t-il des artères aux veines ? La jonction restait invisible, et les instruments de l’époque ne permettaient pas de la chercher.
Trente ans plus tard, à Bologne, Marcello Malpighi disposait d’un instrument nouveau, le microscope. Il choisit d’étudier le poumon, et surtout un animal commode : la grenouille, dont cet organe est assez transparent pour être traversé par la lumière. Il y injecta de l’eau pour diluer le sang et éclaircir le tissu, puis regarda.
Il vit ce que personne n’avait vu : un réseau de vaisseaux minuscules reliant les plus petites artères aux plus petites veines. Il les appela capillaires, du latin capillus, le cheveu. Son ouvrage De pulmonibus observationes anatomicae parut en 1661 et referma la boucle laissée ouverte par Harvey. Au passage, il avait décrit la structure fine du poumon et compris que ces vaisseaux constituaient précisément le lieu où l’air et le sang se rencontrent.
- Toute surface d’échange respiratoire est fine, humide, étendue et irriguée ; ces quatre caractères découlent des propriétés de la diffusion.
- Les poumons replient la surface vers l’intérieur ; les branchies la déploient vers l’extérieur.
- Les trachées des insectes conduisent l’air directement jusqu’aux cellules.
- Certains animaux échangent par la peau, ce qui limite leur épaisseur et les oblige à rester humides.
- Le poumon humain compte environ 480 millions d’alvéoles, pour une surface d’environ 70 mètres carrés selon les mesures récentes.
Ventiler : renouveler l’air ou l’eau
Une surface d’échange, aussi bien construite soit-elle, ne sert à rien si le milieu qui la baigne reste immobile. Le dioxygène qui la touche part dans le sang en quelques instants, et il ne reste plus, contre la paroi, qu’un milieu appauvri d’où plus rien ne diffuse. Il faut donc renouveler ce milieu sans cesse.
La ventilation est le renouvellement du milieu au contact de la surface d’échange. Elle résulte de mouvements respiratoires : des mouvements réguliers du corps qui font circuler l’air ou l’eau. Ces mouvements sont visibles de l’extérieur, ce qui permet de les compter.
Chez l’être humain : une pompe à volume variable
Tes poumons ne possèdent pas de muscle propre : ils sont incapables de se gonfler seuls. Ce sont deux structures qui les entourent qui accomplissent le travail. Les muscles situés entre les côtes soulèvent la cage thoracique, tandis que le diaphragme, une large cloison musculaire placée sous les poumons, s’abaisse en se contractant. Le volume de la cage augmente, la pression intérieure baisse, et l’air extérieur s’engouffre : c’est l’inspiration. Le relâchement de ces muscles fait le mouvement inverse.
Au repos, un adulte effectue entre douze et seize mouvements respiratoires par minute, et déplace environ un demi-litre d’air à chaque fois. Un effort soutenu peut multiplier ce débit par plus de dix, en augmentant à la fois la fréquence et l’amplitude.
Au milieu du XIXe siècle, personne ne savait mesurer proprement ce que contient une poitrine humaine. Les tentatives existaient depuis le XVIIe siècle, mais elles reposaient sur des dispositifs peu fiables, et les chiffres publiés variaient du simple au double.
John Hutchinson, chirurgien anglais né en 1811, construisit un instrument d’une simplicité désarmante : une cloche graduée, retournée dans une cuve d’eau et maintenue en équilibre par un contrepoids. La personne soufflait dans un tube relié à la cloche ; celle-ci montait d’une hauteur proportionnelle au volume expiré, qu’il devenait possible de lire directement sur la graduation. Hutchinson nomma cet appareil le spiromètre.
Son mérite ne s’arrêta pas à l’instrument. Il mesura 2 130 personnes, ce qui était considérable pour l’époque, et mit en évidence un lien régulier entre la taille d’un individu et le volume qu’il pouvait expirer. Il baptisa cette grandeur capacité vitale, et publia l’ensemble en 1846. Les spiromètres d’aujourd’hui sont électroniques, mais ils mesurent la même grandeur, sous le même nom.
Chez le poisson : un courant qui ne revient pas en arrière
Un poisson ne peut pas se permettre le va-et-vient qui caractérise ta respiration. L’eau étant lourde et visqueuse, l’inverser deux fois par cycle coûterait une énergie considérable. La solution retenue est différente : faire circuler l’eau dans un seul sens, de l’avant vers l’arrière.
Le mécanisme repose sur deux ouvertures commandées en alternance. Quand la bouche s’ouvre, les opercules restent fermés et la cavité se remplit d’eau. Quand la bouche se ferme, les opercules s’écartent et l’eau est chassée vers l’extérieur, en passant sur les branchies. Le mouvement de la bouche et celui des opercules, visibles de l’extérieur, sont les mouvements respiratoires du poisson : les compter revient à mesurer son rythme.
Le contre-courant : le détail qui change tout
Voici maintenant le raffinement qui rend les branchies si efficaces, et il tient à une question de sens de circulation. Dans chaque lame branchiale, le sang circule en sens opposé à celui de l’eau. Cette disposition porte le nom de contre-courant, et son intérêt apparaît dès que la comparaison est faite avec l’autre possibilité.
Si le sang suivait le même sens que l’eau, les deux liquides s’équilibreraient rapidement : à mi-parcours, ils contiendraient autant de dioxygène l’un que l’autre, et la diffusion cesserait faute de différence. Le sang repartirait à moitié chargé. Avec le contre-courant, le sang le plus pauvre rencontre l’eau la plus pauvre, et le sang déjà chargé rencontre l’eau la plus riche. À chaque point du trajet, l’eau contient un peu plus de dioxygène que le sang, et le transfert se poursuit sur toute la longueur.
Le gain est spectaculaire. Un poisson prélève couramment de l’ordre de 80 % du dioxygène contenu dans l’eau qui traverse ses branchies, là où tes poumons en extraient environ 25 % de l’air inspiré. Ces valeurs varient selon les espèces et selon l’activité, mais l’écart de rendement reste net : le milieu le plus pauvre est exploité par le dispositif le plus performant.
Le principe du contre-courant dépasse largement la biologie. Les échangeurs de chaleur industriels, les radiateurs de voiture et les systèmes de récupération d’air des maisons bien isolées reposent tous sur la même idée : faire circuler deux fluides en sens opposés pour maintenir un écart sur toute la longueur de l’échange. Les ingénieurs l’appellent « échangeur à contre-courant ». Les poissons l’utilisaient bien avant que le mot ne soit inventé.
Chez l’insecte : l’air livré à domicile
Le système des insectes suit une logique entièrement différente, et cette différence mérite un arrêt. L’air entre par de petits orifices situés sur les flancs, les stigmates, puis emprunte un réseau de tubes rigides, les trachées, qui se ramifient en conduits de plus en plus fins jusqu’à toucher les cellules elles-mêmes. Ces tubes sont maintenus ouverts par des épaississements en spirale qui les empêchent de s’affaisser.
La conséquence est remarquable : chez la plupart des insectes, le sang ne transporte pas de dioxygène. Il n’en a pas besoin, puisque l’air arrive directement à destination. C’est pourquoi le sang des insectes, appelé hémolymphe, n’est pas rouge : il ne contient pas d’hémoglobine, ce pigment qui donne sa couleur au tien et qui sert précisément à transporter le dioxygène.
Ce dispositif a une limite. La diffusion dans un tube d’air fonctionne bien sur quelques millimètres, mal au-delà. Les insectes de grande taille compensent partiellement par des mouvements de l’abdomen qui pompent l’air dans les gros troncs trachéens, mais la contrainte demeure. Elle figure parmi les explications avancées pour rendre compte de la taille modeste des insectes actuels, aux côtés de la concurrence des vertébrés et des limites de la carapace externe.
Une observation fossile va dans ce sens. Il y a environ 300 millions d’années, l’atmosphère contenait une proportion de dioxygène supérieure à celle d’aujourd’hui, et cette période a vu vivre des libellules géantes dont l’envergure atteignait environ 70 centimètres. La plus célèbre, Meganeura monyi, a été décrite en 1884 à partir d’empreintes recueillies dans les mines de charbon de Commentry, en Auvergne. Le lien entre les deux faits reste discuté par les spécialistes, mais il montre bien la question posée : la taille d’un insecte dépend de sa capacité à conduire l’air jusqu’au fond de son corps.
- Ventiler consiste à renouveler l’air ou l’eau au contact de la surface d’échange ; sans ce renouvellement, la diffusion s’arrête.
- Chez l’être humain, les muscles des côtes et le diaphragme font varier le volume de la cage thoracique.
- Chez le poisson, la bouche et les opercules s’ouvrent en alternance et créent un courant d’eau à sens unique.
- Dans la branchie, le sang circule en sens inverse de l’eau : ce contre-courant maintient l’écart de concentration sur toute la longueur et porte le prélèvement à environ 80 %.
- Chez l’insecte, l’air atteint les cellules par un réseau de trachées, sans transport par le sang.
Le milieu de vie n’est pas le milieu de respiration
Une conclusion hâtive guette le lecteur des chapitres précédents : qui vit dans l’eau respirerait dans l’eau, et qui vit à l’air respirerait à l’air. La nature dément cette règle si souvent qu’il vaut mieux la remplacer par une distinction plus fine.
Le milieu de vie d’un animal est l’endroit où il passe son existence : où il se déplace, se nourrit et se reproduit. Le milieu de respiration est celui dans lequel il puise son dioxygène. Ces deux milieux se recouvrent souvent, mais des comportements et des dispositifs particuliers permettent à beaucoup d’espèces de les dissocier.
Vivre dans l’eau et respirer de l’air
Le cas le plus spectaculaire est celui des mammifères marins. Une baleine, un dauphin ou un phoque possèdent des poumons, et ces organes ont besoin d’air atmosphérique. Ces animaux vivent pourtant en mer, plongent parfois à grande profondeur, et n’y prélèvent rien du tout : la totalité de leurs échanges gazeux a lieu en surface, entre deux plongées, par un orifice situé sur le dessus de la tête, l’évent. Leur adaptation ne porte pas sur l’organe respiratoire, qui reste un poumon ordinaire, mais sur leur capacité à retenir leur souffle et à gérer une réserve de dioxygène pendant l’immersion. Les tortues marines suivent la même stratégie.
Chez les insectes aquatiques, la même idée prend une forme miniature. Le dytique, ce coléoptère brun qui chasse dans les mares, remonte régulièrement à la surface et pointe l’extrémité de son abdomen hors de l’eau. Il emprisonne alors une réserve d’air sous ses élytres, ces ailes antérieures durcies, et repart plonger avec elle. Ses stigmates s’ouvrent dans cet espace : il respire donc de l’air atmosphérique, au fond d’une mare.
L’argyronète, Argyroneta aquatica, pousse le procédé plus loin que tous les autres. Cette araignée d’une dizaine de millimètres, présente dans les eaux douces calmes et bien végétalisées d’Europe et d’Asie, passe la quasi-totalité de son existence sous l’eau : elle y chasse, y mange, s’y accouple, y pond et y passe l’hiver.
Sa solution est une cloche. Elle tisse entre les tiges des plantes aquatiques une toile en forme de dé à coudre, puis effectue plusieurs allers-retours vers la surface en emportant chaque fois une bulle d’air retenue par les poils de son abdomen et de ses pattes arrière. Bulle après bulle, la toile se remplit et devient une chambre d’air permanente, ouverte vers le bas, dans laquelle l’araignée respire comme à l’air libre. Sous l’eau, cette réserve donne à son abdomen un éclat argenté qui a valu son nom à l’animal.
Pendant longtemps, une question resta sans réponse : combien de temps l’argyronète peut-elle rester sous l’eau avant de devoir renouveler l’air de sa cloche ? Observer l’animal ne suffisait pas, car il fallait savoir ce qui se passait dans la bulle, sans la détruire.
En 2011, deux chercheurs, Roger Seymour, de l’université d’Adélaïde en Australie, et Stefan Hetz, de l’université Humboldt à Berlin, publièrent une réponse obtenue avec une sonde optique assez fine pour être introduite dans la cloche sans la crever. Leur mesure montra que la teneur en dioxygène de la bulle ne s’effondrait pas comme prévu.
L’explication tient à une propriété élégante. Lorsque l’araignée consomme le dioxygène de sa cloche, la quantité de ce gaz y devient inférieure à celle de l’eau environnante, et du dioxygène de l’eau entre alors dans la bulle par diffusion. Le dioxyde de carbone fait le trajet inverse. La cloche se comporte ainsi comme une véritable branchie, et une seule remontée par jour peut suffire en conditions favorables. La bulle finit tout de même par rétrécir, car le diazote qu’elle contient se dissout lentement dans l’eau : il faut donc la regarnir régulièrement.
Changer d’appareil respiratoire au cours de sa vie
Certains animaux ne se contentent pas de dissocier les deux milieux : ils changent d’organe respiratoire en cours d’existence. La grenouille en offre l’exemple le plus connu.
Le têtard qui sort de l’œuf est un animal strictement aquatique, muni de branchies : d’abord des branchies externes, visibles quelques jours de part et d’autre de la tête, puis des branchies internes recouvertes par un repli de peau. Pendant sa croissance, deux poumons se forment lentement à l’intérieur du corps. À la métamorphose, les pattes apparaissent, la queue se résorbe, les branchies régressent, et ce sont les poumons qui prennent le relais, complétés par des échanges à travers la peau humide. Une jeune grenouille empêchée de sortir de l’eau à ce stade se noierait.
Une dernière possibilité mérite d’être signalée, car elle complète le tableau. Certaines larves d’insectes aquatiques, comme celle de la libellule, portent des branchies reliées à leur réseau de trachées : ces trachéo-branchies prélèvent le dioxygène directement dans l’eau. La larve vit et respire donc dans l’eau, alors que l’adulte, une fois métamorphosé, volera et respirera à l’air.
| Espèce | Milieu de vie | Organe respiratoire | Milieu de respiration |
|---|---|---|---|
| Truite | Eau | Branchies | Eau |
| Dauphin | Eau | Poumons | Air, en surface |
| Dytique adulte | Eau | Trachées | Air, dans sa réserve sous les élytres |
| Argyronète | Eau | Trachées | Air, dans sa cloche de soie |
| Larve de libellule | Eau | Trachéo-branchies | Eau |
| Têtard | Eau | Branchies | Eau |
| Grenouille adulte | Terre et eau | Poumons et peau | Air, et eau par la peau |
| Ver de terre | Sol humide | Tégument | Air du sol |
La grenouille adulte tire une part appréciable de son dioxygène de sa peau, à condition que celle-ci reste humide. Cette voie devient même la principale en hiver : certaines espèces passent la mauvaise saison immobiles au fond d’une mare, poumons inutilisés, en se contentant du dioxygène qui traverse leur peau. Leur activité est alors si réduite que cet apport modeste leur suffit. C’est aussi ce qui rend les amphibiens particulièrement sensibles à la qualité de l’eau et de l’air : leur organe respiratoire de secours est leur propre enveloppe.
- Le milieu de vie et le milieu de respiration sont deux choses distinctes, qui ne se recouvrent pas nécessairement.
- Les mammifères marins et les tortues marines vivent dans l’eau et respirent de l’air en surface.
- Le dytique emporte une réserve d’air sous ses élytres ; l’argyronète construit une cloche de soie qui capte en outre le dioxygène de l’eau.
- Le têtard respire par des branchies, la grenouille adulte par des poumons et par la peau : l’appareil respiratoire change au cours de la vie.
- Ces comportements et ces dispositifs élargissent l’éventail des milieux qu’une espèce peut occuper.
Pourquoi tel être vivant vit-il là et pas ailleurs
Remonte une rivière depuis son embouchure jusqu’à sa source, en notant les poissons rencontrés. Tu ne trouveras pas les mêmes espèces au début et à la fin du parcours, et cette différence ne doit rien au hasard. Le dernier chapitre rassemble tout ce qui précède pour répondre à la question qui a occupé les naturalistes depuis deux siècles : qu’est-ce qui décide de la présence d’une espèce à un endroit donné ?
La répartition d’une espèce est l’ensemble des lieux où elle vit. Elle dépend de plusieurs conditions du milieu : la nourriture disponible, la température, les abris, la présence de prédateurs, et la teneur en dioxygène. Lorsqu’une seule de ces conditions n’est pas satisfaite, l’espèce ne peut pas s’installer, quelles que soient les autres : cette condition est alors le facteur limitant.
De la source à l’estuaire
Le parcours d’un cours d’eau organise à lui seul une véritable démonstration. En amont, l’eau descend vite, se brise sur les cailloux, reste froide sous le couvert des arbres : elle est agitée et fraîche, donc riche en dioxygène. En aval, elle a ralenti, elle s’est réchauffée en s’étalant au soleil, et elle a recueilli tout ce que le bassin versant y a déversé : feuilles, terre, matières issues des activités humaines. Elle contient donc moins de dioxygène, pour deux raisons qui s’additionnent.
Le résultat est une succession de zones, chacune peuplée d’espèces dont les besoins correspondent aux conditions locales. La truite fario occupe les eaux fraîches et bien oxygénées de l’amont : elle demande couramment plus de 6 mg de dioxygène par litre et cesse de se nourrir au-delà de 19 °C environ. La carpe et la tanche, elles, supportent des eaux tièdes et nettement moins pourvues. Entre les deux, le barbeau et le chevesne occupent les zones intermédiaires.
| Espèce | Dioxygène requis | Températures supportées | Zone occupée |
|---|---|---|---|
| Truite fario | élevé, au-delà de 6 mg/L | de 4 à 19 °C environ | Torrents et ruisseaux d’amont |
| Barbeau, chevesne | moyen | jusqu’à 24 °C environ | Cours moyen |
| Carpe, tanche | faible | jusqu’à 28 °C environ | Fleuves lents, étangs |
| Larve de chironome | très faible | large | Vases de fond, milieux appauvris |
La dernière ligne du tableau désigne un petit animal rouge vif, long d’un à deux centimètres, que les pêcheurs connaissent bien : le ver de vase. Il s’agit de la larve d’un moucheron, le chironome, et elle habite les vases du fond des mares, des étangs et des rivières lentes, là où la décomposition consomme presque tout le dioxygène disponible.
Sa couleur donne la clé. Ce rouge vient d’un pigment, l’hémoglobine, la même famille de molécule que celle qui colore ton sang. Rare chez les insectes, dont l’hémolymphe ne transporte habituellement pas de dioxygène, elle permet à cette larve de capter et de retenir le peu de dioxygène disponible autour d’elle. Elle ondule en outre dans son tube pour y faire entrer de l’eau moins appauvrie.
Cette capacité a une conséquence pratique. Une eau où seuls des vers de vase subsistent est donc une eau très pauvre en dioxygène. Les techniciens de rivière s’en servent comme d’un indicateur : la liste des espèces présentes renseigne sur la qualité de l’eau, sans recourir à un appareil de mesure.
Quand le dioxygène disparaît
Le mécanisme mérite d’être détaillé, car il explique les deux exemples qui suivent. Lorsqu’une grande quantité de matière organique arrive dans une rivière, les bactéries qui la décomposent se multiplient, et cette multiplication consomme du dioxygène. Si l’apport est massif et si l’eau est déjà chaude, donc pauvre au départ, la teneur peut s’effondrer en quelques heures. En dessous d’environ 3 mg/L, la plupart des poissons ne parviennent plus à couvrir leurs besoins.
L’agglomération parisienne a connu un épisode de ce genre. Le réseau d’égouts y est en grande partie unitaire : il recueille à la fois les eaux usées et les eaux de pluie. Lors d’un orage violent, le débit dépasse la capacité de traitement, et une partie du mélange rejoint la Seine sans passer par les stations d’épuration. Fin mai 1992, à la suite de tels orages survenus pendant une vague de chaleur, la teneur en dioxygène de la Seine chuta d’une valeur moyenne d’environ 7 mg/L à moins de 4 mg/L. Le gestionnaire du réseau évalua les pertes à 400 tonnes de poissons.
Cet épisode a produit des effets durables. Des sondes mesurent en continu la teneur en dioxygène du fleuve, et des dispositifs d’oxygénation ont été installés en plusieurs points sensibles : des réservoirs de dioxygène reliés à des diffuseurs posés au fond, qui se déclenchent dès qu’une sonde passe sous un seuil. Ils créent alors, sur plusieurs kilomètres, une zone où les poissons trouvent de quoi tenir jusqu’au retour de conditions normales.
Londres a longtemps traité sa rivière comme un égout. Au XIXe siècle, la Tamise recevait sans traitement les eaux usées d’une ville en pleine croissance ; l’été 1858, l’odeur devint telle que le Parlement, installé sur ses berges, fit imbiber ses rideaux de chlorure de chaux pour continuer à siéger. Un siècle plus tard, la situation avait empiré. Sur une trentaine de kilomètres à travers la ville, la teneur en dioxygène de l’eau était devenue trop faible pour être mesurée par les appareils de l’époque, et les relevés des années 1950 ne trouvaient plus un seul poisson sur une longue portion du fleuve.
En 1957, des scientifiques du Muséum d’histoire naturelle de Londres déclarèrent plusieurs sections de la Tamise « biologiquement mortes ». La formule fit le tour du pays. Un programme de dépollution de longue haleine fut engagé : reconstruction des stations d’épuration, encadrement des rejets industriels, interdiction de certains détergents.
Les résultats vinrent lentement. Le flet, un poisson plat, reparut en 1967. Puis, un jour de novembre 1974, les grilles de la prise d’eau de la centrale électrique de West Thurrock, à l’est de Londres, retinrent un saumon vivant d’environ 3,8 kilogrammes. Plus un seul saumon n’avait été signalé dans la Tamise depuis les années 1830. La nouvelle fit le tour de la presse internationale, et pour une raison qui touche directement à ce cours : le saumon compte parmi les poissons les plus exigeants en dioxygène. Sa présence constituait donc une mesure vivante de la qualité retrouvée de l’eau.
Aujourd’hui, plus de cent espèces de poissons fréquentent l’estuaire, ainsi que des phoques et des marsouins. Les spécialistes qui suivent le fleuve rappellent cependant que d’autres difficultés subsistent, notamment les sédiments contaminés accumulés au fil des décennies. Une rivière se dégrade vite ; elle se rétablit lentement.
La même logique s’observe à l’échelle d’un océan. Chaque été, à l’embouchure du Mississippi, dans le nord du golfe du Mexique, se forme une vaste étendue d’eau appauvrie en dioxygène, mesurée et cartographiée chaque année depuis les années 1980. Les poissons la fuient ; les animaux fixés ou peu mobiles du fond, crabes et coquillages, ne le peuvent pas. Le mécanisme est identique à celui décrit plus haut, à une autre échelle : un apport massif de matière nourrit des micro-organismes dont la multiplication consomme le dioxygène de l’eau.
- La répartition d’une espèce dépend de plusieurs conditions ; celle qui manque devient le facteur limitant.
- D’amont en aval, une rivière se réchauffe et se charge en matières : sa teneur en dioxygène diminue, et les espèces changent avec elle.
- Les exigences en dioxygène varient fortement d’une espèce à l’autre ; la liste des espèces présentes renseigne donc sur la qualité de l’eau.
- Un apport massif de matière organique fait chuter la teneur en dioxygène, parfois jusqu’au seuil de survie des poissons.
- La Seine en 1992 et la Tamise entre 1957 et 1974 illustrent la dégradation puis le rétablissement d’un milieu.
Synthèse générale : le fil que nous avons suivi
Six chapitres, une seule question, posée en six temps. Il vaut la peine de refaire le trajet d’un seul mouvement, car chaque étape appelait la suivante.
Le point de départ était une définition : respirer, c’est prélever du dioxygène dans son milieu et y rejeter du dioxyde de carbone. Cette définition posait aussitôt une question de quantité, puisque tout dépend de ce que le milieu contient. La réponse fut nette : à volume égal, l’eau détient environ trente fois moins de dioxygène que l’air, et elle est en outre lourde et visqueuse.
Cette pauvreté imposait une exigence sur les organes : pour capter assez de gaz dans un milieu qui en offre peu, la surface d’échange doit être fine, humide, très étendue et constamment irriguée. Poumons, branchies, trachées et peau sont quatre réponses différentes à cette même contrainte.
Une surface, même vaste, ne suffisait pourtant pas : encore fallait-il renouveler le milieu à son contact. Ce fut la ventilation, avec ses deux solutions techniques opposées : le va-et-vient chez l’animal terrestre, le courant à sens unique chez le poisson, doublé du contre-courant sang-eau qui porte le prélèvement à environ 80 %.
Ces dispositifs, complétés par des comportements, permettent alors de dissocier le milieu de vie du milieu de respiration : le dauphin, le dytique et l’argyronète vivent dans l’eau en respirant de l’air, et le têtard change d’organe en cours de route.
La dernière étape rassemblait tout : puisque la teneur en dioxygène varie d’un lieu à l’autre et que chaque espèce a ses exigences, la répartition des êtres vivants se lit comme une carte de ces exigences. De la truite du torrent au ver de vase de l’étang, chacun occupe l’endroit où ses besoins sont satisfaits. Une rivière n’est donc pas un décor uniforme : c’est une succession de conditions, et chaque condition sélectionne ses habitants.
Trois notions posées ici seront reprises plus tard. La diffusion se retrouvera dans l’étude de la circulation sanguine et des échanges au niveau des organes. La respiration cellulaire sera détaillée lorsque le programme abordera le fonctionnement des cellules. Enfin, la notion de facteur limitant servira de clé à toute l’étude des relations entre les êtres vivants et leur milieu.
À faire chez soi
Les deux manipulations qui suivent demandent du matériel de cuisine et une vingtaine de minutes. La première rend visible le dioxyde de carbone de ton souffle ; la seconde mesure ton propre rythme respiratoire.
Matériel : un quart de chou rouge, une casserole, une passoire, deux verres transparents, une paille, une pincée de bicarbonate de soude.
Préparation de l’indicateur : fais bouillir les feuilles de chou rouge coupées dans un demi-litre d’eau pendant une dizaine de minutes, avec l’aide d’un adulte. Filtre le liquide et laisse-le refroidir. Tu obtiens un jus violet foncé, qui change de couleur selon l’acidité du liquide où il se trouve : rose en milieu acide, violet en milieu neutre, vert ou bleu en milieu basique.
Protocole : verse ce jus dans deux verres, en quantités égales. Ajoute dans chacun une petite pincée de bicarbonate et remue : la couleur vire vers le bleu-vert. Le verre A sera le montage étudié, le verre B le témoin. Souffle doucement dans le verre A à l’aide de la paille, pendant une minute, en veillant à ne pas aspirer. Ne touche pas au verre B.
Observation : la couleur du verre A revient progressivement vers le violet, puis vers le rose, tandis que le verre B garde sa teinte de départ.
Interprétation : le dioxyde de carbone de ton souffle se dissout dans l’eau et la rend plus acide, ce que l’indicateur signale par son changement de couleur. Le verre B, traité de la même manière mais sans souffle, prouve que le changement vient bien de l’air expiré. Tu viens de reproduire, avec un indicateur de cuisine, le raisonnement du chapitre 1.
Matériel : une montre affichant les secondes, une feuille, un crayon.
Protocole : assieds-toi et reste immobile deux minutes. Compte ensuite tes mouvements respiratoires pendant une minute entière : chaque inspiration vaut un. Note le résultat. Lève-toi, effectue vingt flexions à un rythme régulier, puis rassieds-toi et compte de nouveau pendant une minute. Note. Attends deux minutes, compte une troisième fois, et note.
Résultat attendu : un nombre de repos compris entre douze et vingt selon les personnes, un total nettement supérieur après l’effort, puis un retour progressif vers la valeur de départ.
Interprétation : pendant l’effort, tes muscles consomment plus d’énergie, donc plus de dioxygène. La ventilation s’accélère pour suivre cette demande, puis ralentit lorsque la demande retombe. La respiration n’est pas un automatisme figé : c’est un approvisionnement ajusté en permanence.
Pour aller plus loin : reporte tes trois valeurs sur un graphique, le temps en abscisse et le nombre de mouvements par minute en ordonnée. La forme de la courbe, montée rapide puis descente lente, est celle que retrouvent les physiologistes du sport.
Quiz : dix questions pour vérifier
Réponds sans revenir en arrière, puis compare avec le corrigé placé après la dernière question. Une seule proposition est correcte à chaque fois.
Corrigé commenté
- a. Les deux mouvements vont dans des sens opposés : le dioxygène entre, le dioxyde de carbone sort.
- c. C’est le rôle du témoin : il ne diffère du montage étudié que par un seul élément, ce qui permet d’attribuer la différence observée à cet élément.
- b. Environ 16 %, contre environ 21 % dans l’air inspiré. Le corps est loin de prélever tout le dioxygène disponible, et c’est ce qui rend le bouche-à-bouche efficace.
- a. Il s’agit de dioxygène dissous, venu de l’atmosphère et des végétaux aquatiques. Les atomes d’oxygène de la molécule d’eau restent inaccessibles.
- b. Elle diminue : une eau à 30 °C contient environ la moitié du dioxygène d’une eau à 0 °C. À l’inverse du sucre, dont la dissolution augmente avec la température.
- c. La couleur rouge vient de l’hémoglobine du sang qui irrigue certains organes respiratoires ; elle n’est pas une exigence. Les quatre caractères sont : fine, humide, étendue, irriguée.
- b. Le courant est unidirectionnel : inverser un liquide aussi dense coûterait trop d’énergie.
- a. Cette disposition maintient un écart de concentration sur toute la longueur de l’échange, et porte le prélèvement à environ 80 %.
- c. Son milieu de vie est l’eau, son milieu de respiration est l’air : les deux ne coïncident pas.
- b. Cette larve possède de l’hémoglobine, ce qui lui permet de capter le peu de dioxygène présent. Sa présence exclusive signale une eau appauvrie.
Trois exercices de réflexion
Exercice A - Lire un relevé
Un technicien mesure la teneur en dioxygène d’un étang toutes les quatre heures pendant une journée d’été. Voici ses relevés :
| Heure | 0 h | 4 h | 8 h | 12 h | 16 h | 20 h |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dioxygène (mg/L) | 5,8 | 3,1 | 5,4 | 8,7 | 11,2 | 9,0 |
1. À quel moment de la journée la teneur est-elle la plus faible ? La plus élevée ?
2. Propose une explication à cette variation au cours des vingt-quatre heures.
3. Un pêcheur affirme que ses poissons sont morts « à cause de la chaleur de l’après-midi ». Que penses-tu de cette explication, au vu du tableau ?
Exercice B - Deux cages, deux milieux
Un élève place une souris dans une enceinte close munie d’une sonde à dioxygène, et un poisson rouge dans un bocal fermé également muni d’une sonde. Il note la baisse de teneur en dioxygène pendant une heure. La sonde de l’enceinte à souris passe de 21 % à 19 % ; celle du bocal passe de 8,9 mg/L à 4,1 mg/L.
1. Ces deux mesures s’expriment dans des unités différentes. Pourquoi ?
2. Laquelle des deux situations devient la plus rapidement critique pour l’animal ? Justifie en une phrase.
3. Que faudrait-il ajouter à ce protocole pour qu’il constitue une démonstration correcte ?
Exercice C - Le cas du gammare
Le gammare est un petit crustacé d’eau douce, long d’un à deux centimètres, muni de branchies situées sous son thorax. Il vit dans les ruisseaux frais et vifs. Placé dans une eau calme et tiède, il agite énergiquement ses appendices et finit par mourir si la situation se prolonge.
1. Pourquoi le gammare agite-t-il ses appendices dans une eau calme ?
2. Deux caractéristiques de l’eau tiède et calme lui nuisent. Nomme-les et explique l’effet de chacune.
3. Le gammare est utilisé par les techniciens de rivière comme indicateur de qualité. Explique en quoi sa présence ou son absence renseigne.
Corrigé des exercices
Exercice A. 1. Le minimum est relevé à 4 h, avec 3,1 mg/L ; le maximum à 16 h, avec 11,2 mg/L. 2. Les végétaux de l’étang réalisent la photosynthèse pendant la journée et libèrent du dioxygène : la teneur monte du matin jusqu’au milieu de l’après-midi. La nuit, la photosynthèse s’arrête, tandis que la respiration de tous les êtres vivants de l’étang se poursuit : la teneur baisse jusqu’au petit matin. 3. L’explication du pêcheur est incomplète. La chaleur intervient, puisqu’une eau chaude retient moins de dioxygène, mais le tableau montre que le moment critique se situe avant l’aube et non l’après-midi. Les valeurs les plus dangereuses sont celles de 4 h.
Exercice B. 1. Le dioxygène de l’air se mesure en proportion du volume total, tandis que celui de l’eau se mesure en masse par litre, car il y est dissous en très petite quantité. 2. La situation du poisson : sa réserve initiale est environ trente fois plus faible, et elle a déjà été réduite de plus de moitié en une heure, alors que l’enceinte de la souris est passée de 21 % à 19 %, soit une baisse d’un dixième environ. 3. Il manque deux témoins : une enceinte close sans souris et un bocal fermé sans poisson, préparés dans les mêmes conditions. Sans eux, rien ne prouve que la baisse vienne des animaux plutôt que du dispositif lui-même.
Exercice C. 1. Il ventile : en agitant ses appendices, il fait circuler l’eau sur ses branchies et remplace celle qui s’est appauvrie par de l’eau plus riche. Dans un ruisseau vif, le courant accomplit une partie de ce travail à sa place. 2. D’une part, l’eau tiède contient moins de dioxygène dissous que l’eau fraîche ; d’autre part, une eau calme ne se réoxygène pas au contact de l’air, faute d’agitation de surface. Les deux effets s’additionnent. 3. Ses exigences sont relativement élevées : il subsiste surtout là où l’eau reste fraîche, agitée et bien pourvue en dioxygène. Le trouver dans un cours d’eau indique donc de bonnes conditions ; sa disparition d’un secteur où il vivait auparavant signale une dégradation.
Lexique
- Alvéole pulmonaire
- Minuscule cavité située à l’extrémité des conduits du poumon, entourée de vaisseaux très fins, où se font les échanges entre l’air et le sang.
- Branchie
- Organe respiratoire déployé vers l’extérieur, formé de lames finement divisées, qui prélève le dioxygène dissous dans l’eau.
- Capillaire
- Vaisseau sanguin d’un diamètre comparable à celui d’un cheveu, reliant les plus petites artères aux plus petites veines. Nom donné par Malpighi en 1661.
- Contre-courant
- Disposition dans laquelle deux fluides circulent en sens opposés de part et d’autre d’une paroi. Elle maintient un écart de concentration sur toute la longueur de l’échange et en améliore fortement le rendement.
- Diffusion
- Déplacement spontané d’une substance depuis la zone où elle est la plus concentrée vers celle où elle l’est le moins, sans mécanisme de transport actif.
- Dioxyde de carbone (CO2)
- Gaz produit par la respiration cellulaire et rejeté par les êtres vivants dans leur milieu. Il trouble l’eau de chaux, ce qui permet de le détecter.
- Dioxygène (O2)
- Gaz prélevé par les êtres vivants dans leur milieu. Il représente environ 21 % du volume de l’air. Le langage courant l’appelle souvent « oxygène ».
- Dioxygène dissous
- Molécules de dioxygène dispersées entre celles de l’eau, venues de l’atmosphère et des végétaux aquatiques. Sa quantité s’exprime en milligrammes par litre.
- Eau de chaux
- Liquide limpide qui devient trouble et laiteux en présence de dioxyde de carbone. Réactif employé pour mettre en évidence ce gaz.
- Échanges gazeux respiratoires
- Double mouvement par lequel un être vivant prélève du dioxygène dans son milieu et y rejette du dioxyde de carbone.
- Élytres
- Première paire d’ailes des coléoptères, durcie et transformée en étui protecteur. Le dytique y emprisonne sa réserve d’air.
- Facteur limitant
- Condition du milieu qui n’est pas satisfaite et qui, à elle seule, empêche une espèce de s’installer, quelles que soient les autres conditions.
- Hémoglobine
- Pigment rouge du sang qui fixe le dioxygène et le transporte vers les organes. Présent chez les vertébrés, et de façon plus rare chez quelques invertébrés comme la larve de chironome.
- Hémolymphe
- Liquide circulant des insectes, comparable au sang par certaines fonctions, mais qui ne transporte habituellement pas de dioxygène.
- Métamorphose
- Transformation profonde de l’organisation d’un animal au cours de son développement. Chez la grenouille, elle s’accompagne du remplacement des branchies par des poumons.
- Milieu de respiration
- Milieu dans lequel un animal puise son dioxygène. Il ne se confond pas nécessairement avec son milieu de vie.
- Milieu de vie
- Endroit où un animal se déplace, se nourrit et se reproduit.
- Mouvements respiratoires
- Mouvements réguliers du corps qui assurent la ventilation : soulèvement des côtes chez l’être humain, ouverture alternée de la bouche et des opercules chez le poisson.
- Opercule
- Volet osseux recouvrant les branchies d’un poisson, dont l’ouverture et la fermeture participent à la circulation de l’eau.
- Photosynthèse
- Fabrication de matière organique par les parties vertes des végétaux, à partir de dioxyde de carbone et d’eau, en présence de lumière, avec rejet de dioxygène. Distincte de la respiration.
- Répartition
- Ensemble des lieux où vit une espèce, déterminé par les conditions du milieu et par les exigences de cette espèce.
- Respiration cellulaire
- Transformation chimique qui, dans les cellules, consomme du dioxygène et des nutriments pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’organisme, en produisant du dioxyde de carbone.
- Saturation
- État d’un liquide qui contient la quantité maximale de soluté qu’il peut dissoudre dans les conditions données. Pour un gaz dissous, cette quantité dépend de la température et de la pression.
- Stigmate
- Orifice situé sur le flanc d’un insecte, par lequel l’air entre dans le réseau des trachées.
- Surface d’échange respiratoire
- Zone de contact par laquelle les gaz passent entre le milieu et l’organisme. Elle est fine, humide, étendue et irriguée.
- Tégument
- Enveloppe extérieure d’un animal, sa peau. Chez le ver de terre, elle sert de surface d’échange respiratoire.
- Témoin
- Dispositif identique au montage étudié, à l’exception du seul élément dont l’effet est recherché. Sa comparaison rend la conclusion valide.
- Trachée
- Chez l’insecte, tube rigide conduisant l’air depuis un stigmate jusqu’au contact des cellules, en se ramifiant en conduits de plus en plus fins.
- Ventilation
- Renouvellement de l’air ou de l’eau au contact de la surface d’échange, sans lequel la diffusion cesse faute d’écart de concentration.