Biologie pour les Majeurs II

Figure 1. La cellule de l’algue unicellulaire Ventricaria ventricosa est l’une des plus grandes connues, atteignant un à cinq centimètres de diamètre. Comme tous les organismes unicellulaires, V. ventricosa échange des gaz à travers la membrane cellulaire.

Tous les organismes aérobies ont besoin d’oxygène pour exercer leurs fonctions métaboliques. Le long de l’arbre évolutif, différents organismes ont mis au point différents moyens d’obtenir de l’oxygène de l’atmosphère environnante. L’environnement dans lequel l’animal vit détermine grandement la façon dont un animal respire. La complexité du système respiratoire est corrélée à la taille de l’organisme. À mesure que la taille de l’animal augmente, les distances de diffusion augmentent et le rapport surface/volume diminue. Chez les organismes unicellulaires, la diffusion à travers la membrane cellulaire est suffisante pour fournir de l’oxygène à la cellule (Figure 1).

La diffusion est un processus de transport lent et passif. Pour que la diffusion soit un moyen réalisable de fournir de l’oxygène à la cellule, le taux d’absorption d’oxygène doit correspondre au taux de diffusion à travers la membrane. En d’autres termes, si la cellule était très grande ou épaisse, la diffusion ne serait pas en mesure de fournir de l’oxygène assez rapidement à l’intérieur de la cellule. Par conséquent, la dépendance à la diffusion comme moyen d’obtenir de l’oxygène et d’éliminer le dioxyde de carbone ne reste possible que pour les petits organismes ou ceux à corps très aplatis, qui sucent autant de vers plats (Platyhelminthes). Les organismes plus grands ont dû développer des tissus respiratoires spécialisés, tels que des branchies, des poumons et des voies respiratoires accompagnés d’un système circulatoire complexe, pour transporter l’oxygène dans tout leur corps.

Diffusion directe

Figure 2. Le processus de respiration de ce ver plat fonctionne par diffusion à travers la membrane externe. (crédit: Stephen Childs)

Pour les petits organismes multicellulaires, la diffusion à travers la membrane externe est suffisante pour répondre à leurs besoins en oxygène. L’échange de gaz par diffusion directe à travers les membranes de surface est efficace pour les organismes de moins de 1 mm de diamètre. Dans les organismes simples, tels que les cnidaires et les vers plats, chaque cellule du corps est proche de l’environnement extérieur. Leurs cellules sont maintenues humides et les gaz diffusent rapidement par diffusion directe. Les vers plats sont de petits vers, littéralement plats, qui  » respirent » par diffusion à travers la membrane externe (Figure 2). La forme plate de ces organismes augmente la surface de diffusion, garantissant que chaque cellule du corps est proche de la surface de la membrane externe et a accès à l’oxygène. Si le ver plat avait un corps cylindrique, les cellules au centre ne pourraient pas obtenir d’oxygène.

Peau et branchies

Les vers de terre et les amphibiens utilisent leur peau (tégument) comme organe respiratoire. Un réseau dense de capillaires se trouve juste sous la peau et facilite les échanges gazeux entre l’environnement externe et le système circulatoire. La surface respiratoire doit être maintenue humide pour que les gaz se dissolvent et diffusent à travers les membranes cellulaires.

Figure 3. Cette carpe commune, comme beaucoup d’autres organismes aquatiques, a des branchies qui lui permettent d’obtenir de l’oxygène de l’eau. (crédit: « Guitardude012″/Wikimedia Commons)

Les organismes qui vivent dans l’eau ont besoin d’obtenir de l’oxygène de l’eau. L’oxygène se dissout dans l’eau mais à une concentration plus faible que dans l’atmosphère. L’atmosphère contient environ 21% d’oxygène. Dans l’eau, la concentration en oxygène est beaucoup plus faible que cela. Les poissons et de nombreux autres organismes aquatiques ont développé des branchies pour absorber l’oxygène dissous de l’eau (figure 3). Les branchies sont de minces filaments tissulaires très ramifiés et pliés. Lorsque l’eau passe au-dessus des branchies, l’oxygène dissous dans l’eau diffuse rapidement à travers les branchies dans la circulation sanguine. Le système circulatoire peut alors transporter le sang oxygéné vers les autres parties du corps. Chez les animaux qui contiennent du liquide cœlomique au lieu du sang, l’oxygène diffuse à travers les surfaces branchiales dans le liquide cœlomique. Les branchies se trouvent dans les mollusques, les annélides et les crustacés.

Les surfaces repliées des branchies fournissent une grande surface pour que le poisson reçoive suffisamment d’oxygène. La diffusion est un processus dans lequel le matériau se déplace des régions de concentration élevée à faible concentration jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. Dans ce cas, le sang à faible concentration de molécules d’oxygène circule à travers les branchies. La concentration de molécules d’oxygène dans l’eau est supérieure à la concentration de molécules d’oxygène dans les branchies. En conséquence, les molécules d’oxygène diffusent de l’eau (concentration élevée) vers le sang (concentration faible), comme le montre la figure 4. De même, les molécules de dioxyde de carbone dans le sang diffusent du sang (concentration élevée) vers l’eau (concentration faible).

Figure 4. Lorsque l’eau coule sur les branchies, l’oxygène est transféré au sang via les veines. (crédit « fish”: modification du travail de Duane Raver, NOAA)

Systèmes trachéaux

Figure 5. Les insectes effectuent la respiration via un système trachéal.

La respiration des insectes est indépendante de leur système circulatoire; par conséquent, le sang ne joue pas de rôle direct dans le transport de l’oxygène. Les insectes ont un type de système respiratoire hautement spécialisé appelé système trachéal, qui consiste en un réseau de petits tubes qui transportent l’oxygène vers tout le corps. Le système trachéal est le système respiratoire le plus direct et le plus efficace chez les animaux actifs. Les tubes du système trachéal sont constitués d’un matériau polymère appelé chitine.

Les corps des insectes ont des ouvertures, appelées spiracles, le long du thorax et de l’abdomen. Ces ouvertures se connectent au réseau tubulaire, permettant le passage de l’oxygène dans le corps (Figure54) et régulant la diffusion du CO2 et de la vapeur d’eau. L’air entre et sort du système trachéal par les spiracles. Certains insectes peuvent ventiler le système trachéal avec des mouvements corporels.

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