Fiche de révision : Spirométrie et échanges gazeux

📋 Plan du Cours

1. Respiration et échanges gazeux
2. Défis des échanges gazeux
3. Adaptations des poumons des mammifères
4. Mécanisme de ventilation pulmonaire
5. Mesure des volumes pulmonaires
6. Mesure de la ventilation pulmonaire
7. Feuille et adaptations aux échanges gazeux
8. Transpiration et facteurs influents
9. Mesure du taux de transpiration
10. Dessin de la structure foliaire
11. Détermination de la densité stomatique
12. Mesure de la densité stomatique
13. Fiabilité des mesures répétées
14. Hémoglobine et oxygène
15. Allostérie et hémoglobine fœtale
16. Effet Bohr et libération d’oxygène
17. Lecture et mécanisme de la courbe

📖 1. Respiration et échanges gazeux

🔑 Notions clés & Définitions

• Respiration cellulaire : Processus qui se produit dans toutes les cellules vivantes et libère de l’énergie sous forme d’ATP lorsque des molécules de substrat telles que le glucose sont oxydées.
• Échange gazeux : Processus par lequel les organismes vivants échangent des gaz avec leur environnement, notamment en absorbant de l’oxygène et en libérant du dioxyde de carbone.

★ À maîtriser

• La respiration aérobie nécessite de l’oxygène et produit du dioxyde de carbone comme déchet.

• La vitesse de diffusion dépend de la taille de la surface respiratoire, du gradient de concentration et de la distance de diffusion.

Compléments

• Chez les plantes, le dioxyde de carbone est absorbé et l’oxygène libéré pendant la journée à la suite de la photosynthèse.

• Chez les petits organismes unicellulaires tels que les amibes, le rapport surface/volume élevé et la courte distance de diffusion permettent un échange gazeux efficace et un apport suffisant d’oxygène.

📖 2. Défis des échanges gazeux

★ À maîtriser

• Quand un organisme augmente en taille, son rapport surface/volume diminue et la distance de diffusion augmente.

• Les grands organismes multicellulaires ne peuvent pas compter uniquement sur la diffusion pour fournir de l’oxygène à chaque cellule.

• Une surface d’échange gazeux efficace est perméable, mince, humide et étendue.

• Un gradient de concentration abrupt permet une diffusion rapide de l’oxygène vers le corps et du dioxyde de carbone hors du corps.

• Les gradients de concentration aux surfaces d’échange sont maintenus par un réseau dense de vaisseaux sanguins, un flux sanguin continu et la ventilation des poumons avec de l’air ou des branchies avec de l’eau.

Compléments

• Chez les grands organismes, la surface externe protège les tissus sous-jacents et ne convient donc pas comme surface respiratoire.

• Les cellules des grands organismes actifs ont besoin de plus d’oxygène que celles des organismes plus petits et moins actifs pour répondre à leurs besoins métaboliques.

• Les grands organismes actifs ont besoin d’organes spécialisés pour les échanges gazeux.

• Chez l’être humain, l’alvéole est la surface d’échange gazeux où sont maintenus les gradients de concentration de l’oxygène et du dioxyde de carbone.

💡 Astuce mémo

Organisme plus grand → rapport surface/volume plus faible et distance de diffusion accrue

📖 3. Adaptations des poumons des mammifères

🔑 Notions clés & Définitions

• Tensioactif : Substance sécrétée par les cellules de la paroi alvéolaire qui abaisse la tension superficielle et empêche les alvéoles de s’affaisser et de se coller pendant l’expiration

★ À maîtriser

• Les poumons des mammifères contiennent de nombreuses petites alvéoles, ce qui leur procure une grande surface d’échange gazeux.

• Les amas d’alvéoles sont entourés d’un vaste réseau de capillaires, qui augmente la surface de diffusion entre l’air alvéolaire et le sang.

Compléments

• Les alvéoles sont regroupées à l’extrémité des bronchioles, qui forment un réseau ramifié répartissant les alvéoles dans les poumons.

• Le sang désoxygéné arrive aux lits capillaires alvéolaires par une branche de l’artère pulmonaire, tandis que le sang oxygéné en repart par une branche de la veine pulmonaire.

📖 4. Mécanisme de ventilation pulmonaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Ventilation : La ventilation remplace l’air ancien des poumons par de l’air frais de l’environnement, ce qui aide à maintenir le gradient de concentration entre les alvéoles et le sang.

★ À maîtriser

📌 L’inspiration augmente le volume de la cage thoracique et diminue la pression de l’air, tandis que l’expiration diminue le volume thoracique et augmente la pression.

• Pendant l’inspiration, le diaphragme se contracte et s’aplatit, les muscles intercostaux externes se contractent, la cage thoracique se déplace vers le haut et vers l’extérieur, et l’air entre dans les poumons le long du gradient de pression.

• Pendant l’expiration passive, les muscles intercostaux externes et le diaphragme se relâchent, la cage thoracique descend et se déplace vers l’intérieur, et le recul élastique des parois alvéolaires réduit le volume pulmonaire, expulsant l’air.

Compléments

📌 L’expiration est principalement passive grâce au recul des poumons, mais elle devient active lorsqu’il faut expulser de l’air en excès, par exemple pour éteindre une bougie.

• 🔄 L’expiration active se déroule ainsi : les muscles intercostaux internes se contractent et tirent les côtes vers le bas et l’intérieur, les muscles abdominaux se contractent et poussent les organes contre le diaphragme, le volume de la cavité thoracique diminue, l’air est expulsé lors d’une expiration forcée

💡 Astuce mémo

À l’inspiration, le volume augmente et la pression baisse ; à l’expiration, le volume baisse et la pression augmente.

📖 5. Mesure des volumes pulmonaires

★ À maîtriser

📌 Rempli d’air, le spiromètre permet de déterminer la capacité pulmonaire dans différentes conditions, tandis que rempli d’oxygène et de chaux sodée, il permet de mesurer la consommation d’oxygène.

Compléments

• Un spiromètre peut servir à étudier l’effet de l’exercice sur la ventilation et comporte une chambre remplie d’eau recouverte d’un couvercle en plastique articulé, qui se déplace pendant la respiration par un embout relié à la chambre.

• Les traces d’un spiromètre sont produites soit par un stylet qui trace sur un tambour tournant pendant le déplacement du couvercle, soit par un ordinateur qui dessine un graphique des résultats.

📖 6. Mesure de la ventilation pulmonaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Volume courant : Volume d’air inhalé et expiré lors d’une respiration normale.
• Volume de réserve inspiratoire : Volume d’air supplémentaire qui peut être inspiré au-delà du volume courant lors d’une inspiration profonde.
• Volume de réserve expiratoire : Volume d’air supplémentaire qui peut être expiré au-delà du volume courant lors d’une expiration profonde.

★ À maîtriser

📐 Formule - La capacité vitale est la quantité totale d’air expirée après une inspiration profonde et se calcule ainsi : $VC = TV + IRV + ERV$.

Compléments

• Un spiromètre électrique peut surveiller la ventilation, tout comme un spiromètre classique.

• L’exercice augmente le volume courant, car davantage d’air entre dans les poumons et en sort.

• Le taux de ventilation se détermine en comptant le nombre d’inspirations ou d’expirations par minute.

• L’exercice augmente le taux de ventilation en entraînant davantage de respirations par minute.

📖 7. Feuille et adaptations aux échanges gazeux

🔑 Notions clés & Définitions

• Stomate : Pore de l’épiderme foliaire par lequel ont lieu les échanges gazeux.

★ À maîtriser

• La feuille comprend trois tissus principaux :

  • le tissu épidermique, qui forme la limite externe
  • le tissu mésophylle, qui constitue l’essentiel de la structure interne
  • le tissu vasculaire, qui transporte des substances entre la feuille et le reste de la plante

• Quand l’eau pénètre dans les cellules de garde, elles deviennent turgescentes, changent de forme et ouvrent les stomates; quand elles perdent de l’eau, elles deviennent flasques et ferment les stomates.

📌 Le mésophylle palissadique, situé sous l’épiderme supérieur, contient de nombreux chloroplastes pour la photosynthèse, tandis que le mésophylle spongieux contient de grands espaces aériens favorisant les échanges gazeux.

• Les faisceaux vasculaires forment les nervures des feuilles; le xylème transporte l’eau et les ions minéraux des racines aux feuilles, tandis que le phloème transporte les produits de la photosynthèse vers d’autres parties de la plante.

Compléments

• Les stomates permettent la diffusion de l’oxygène et du dioxyde de carbone vers l’intérieur et l’extérieur de la feuille.

• La cuticule cireuse forme une barrière imperméable qui limite la sortie des gaz et de la vapeur d’eau par l’épiderme, de sorte que les échanges gazeux se font par les stomates.

• La plupart des stomates se trouvent sur la face inférieure de l’épiderme, où la température plus basse réduit les pertes d’eau.

• Les cellules du mésophylle sont des cellules de parenchyme contenant des chloroplastes, et la photosynthèse a lieu dans ce tissu.

• Les espaces aériens du mésophylle spongieux permettent le mouvement des gaz et maintiennent un gradient de concentration entre l’air et les cellules spongieuses.

📖 8. Transpiration et facteurs influents

🔑 Notions clés & Définitions

• Transpiration : Perte d’eau sous forme de vapeur à travers les stomates de la feuille.

★ À maîtriser

📌 Les stomates doivent être ouverts pour permettre les échanges gazeux nécessaires à la photosynthèse, mais leur ouverture entraîne aussi une perte d’eau par transpiration.

• Le vent emporte la vapeur d’eau accumulée près des stomates, maintient le gradient de concentration et augmente la diffusion de vapeur hors de la feuille.

• Une hausse de température accélère l’évaporation de l’eau en augmentant l’énergie cinétique des molécules, mais une température excessive ferme les stomates et ralentit fortement la transpiration.

• À la lumière, les stomates s’ouvrent pour permettre les échanges gazeux de la photosynthèse, ce qui augmente la transpiration; dans l’obscurité, ils se ferment et la transpiration diminue fortement.

• Une humidité élevée réduit le gradient de concentration de vapeur d’eau entre la feuille et l’air, ce qui diminue la transpiration; à l’équilibre, il n’y a aucune perte nette de vapeur d’eau par les feuilles.

Compléments

• Lors de la photosynthèse, le dioxyde de carbone est absorbé par la feuille et l’oxygène est libéré à travers les stomates.

• La plupart des plantes peuvent fermer leurs stomates grâce aux cellules de garde, ce qui réduit les pertes d’eau mais aussi les échanges gazeux et le taux de photosynthèse.

• La transpiration refroidit la plante par évaporation, aide à absorber les ions minéraux et contribue au soutien des feuilles et des tiges non ligneuses grâce à la pression de turgescence.

• Les feuilles dont les cellules ont une forte pression de turgescence ne flétrissent pas et gardent ainsi une surface accrue pour la photosynthèse.

• Une augmentation du mouvement de l’air entraîne une augmentation du taux de transpiration.

• Lorsque tous les stomates sont ouverts, une augmentation supplémentaire de l’intensité lumineuse n’a plus d’effet sur le taux de transpiration.

📖 9. Mesure du taux de transpiration

★ À maîtriser

📌 Un potomètre mesure techniquement le taux d’absorption d’eau par une pousse, et non directement son taux de transpiration, car une petite quantité d’eau absorbée est utilisée pour la photosynthèse.

• Un potomètre à bulles mesure l’absorption d’eau en suivant le déplacement d’une bulle d’air dans un tube rempli d’eau relié à une pousse; on relève sa position, puis sa distance parcourue pendant un temps donné ou le temps nécessaire pour parcourir une distance donnée.

📌 Pour obtenir des résultats valides lors de l’étude d’un facteur environnemental, il faut contrôler les autres variables, car modifier le lieu peut aussi changer la lumière et l’humidité.

Compléments

• L’absorption d’eau mesurée par un potomètre peut représenter raisonnablement la transpiration, car la quantité d’eau utilisée pour la photosynthèse est très faible par rapport à celle qui traverse la plante.

• Un potomètre de masse mesure la variation de masse d’un tube à essai rempli d’eau et relié à une pousse pendant une période donnée.

• Les facteurs environnementaux étudiés peuvent être :

  • la vitesse du vent
  • l’humidité
  • l’intensité lumineuse
  • la température

• L’humidité peut être augmentée en enfermant la pousse dans un sac en plastique, ou variée à l’aide d’un humidificateur ou d’un déshumidificateur.

• La température de l’air peut être modifiée à l’aide d’un chauffage ou d’un climatiseur et mesurée avec un thermomètre ou une sonde de température.

💡 Astuce mémo

Le potomètre suit une bulle ou une masse, mais mesure l’absorption d’eau, pas directement la transpiration.

📖 10. Dessin de la structure foliaire

★ À maîtriser

• Les structures à identifier dans une feuille dicotylédone sont : les chloroplastes, la cuticule, les cellules de garde, la face inférieure, les épidermes supérieur et inférieur, le mésophylle palissadique, le mésophylle spongieux, les espaces aériens, les faisceaux vasculaires contenant le xylème et le phloème

📌 Un schéma en plan représente les couches de tissus entourées de lignes, sans dessiner les cellules individuellement.

Compléments

📌 Un schéma en plan doit montrer la répartition réelle des tissus et respecter les proportions observées, sans reproduire ce qu’on s’attend à voir dans un manuel.

• Un schéma en plan se trace au crayon bien aiguisé avec des lignes claires et continues, sans ombrage, et doit remplir au moins la moitié de l’espace disponible.

📌 Les étiquettes d’un schéma en plan se tracent à la règle jusqu’à la structure, sans pointe de flèche ni croisement, et s’écrivent horizontalement.

📖 11. Détermination de la densité stomatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Densité stomatique : le nombre de stomates par unité de surface

📝 Points essentiels

• La densité stomatique peut aider les biologistes à évaluer la réaction probable d’une plante à une période de sécheresse et à prédire son comportement dans des climats venteux ou humides après un déplacement à des fins agricoles ou horticoles.

• La densité stomatique peut être comparée d’une espèce végétale à une autre.

📖 12. Mesure de la densité stomatique

★ À maîtriser

• Pour obtenir une empreinte de la face inférieure d’une feuille, on applique du vernis transparent, on le laisse sécher environ 5 minutes, puis on le décolle avec du ruban adhésif et on le pose sur une lame.

📌 Le grossissement doit permettre de voir un nombre dénombrable de stomates, idéalement entre 15 et 100 par champ de vision, et une stomie partiellement visible au bord du champ compte pour une stomie.

• Pour estimer le nombre de stomates par champ, on compte les stomates, on répète le comptage dans au moins 3 champs distincts et on calcule la moyenne.

📐 Formule - La densité stomatique se calcule en divisant le nombre moyen de stomates par l’aire du champ de vision, avec $A = \pi r^2$ et $r = \frac{d}{2}$.

Compléments

• Le matériel nécessaire comprend :

  • du ruban adhésif
  • un microscope
  • des lames
  • un micromètre de platine
  • un appareil de comptage
  • une calculatrice

• Pour observer l’empreinte de vernis, une lamelle et une goutte d’eau ne sont pas nécessaires si l’échantillon repose à plat sur la lame.

• Pour 16 stomates par champ et un diamètre de 0,46 mm à × 400, l’aire est 0,1662 mm² et la densité arrondie à l’entier le plus proche est de 96 stomates par mm².

💡 Astuce mémo

Empreinte, microscope, comptage, surface, densité

📖 13. Fiabilité des mesures répétées

🔑 Notions clés & Définitions

• Fiabilité : Niveau de confiance que l’on peut accorder à des mesures numériques, appelées données quantitatives.
• Mesure anormale : Mesure qui s’écarte des mesures attendues.

★ À maîtriser

• La répétition de comptages de stomates sur des feuilles de la même espèce et dans les mêmes conditions permet de repérer les mesures anormales, de les omettre dans le calcul de la moyenne et d’obtenir une moyenne plus fiable.

Compléments

📌 Des comptages répétés donnant des résultats similaires indiquent que les données sont fiables et justifient un niveau de confiance plus élevé que des résultats très différents.

💡 Astuce mémo

Répéter les mesures → repérer les anomalies et renforcer la fiabilité

📖 14. Hémoglobine et oxygène

🔑 Notions clés & Définitions

• Hémoglobine : Protéine globulaire abondante dans les globules rouges qui lie l’oxygène grâce à des groupes héminiques contenant du fer.
• Pression partielle : Pression exercée par un gaz particulier dans un mélange de gaz ; celle de l’oxygène se note pO₂.

★ À maîtriser

• La liaison de la première molécule d’oxygène modifie la conformation de l’hémoglobine et facilite la liaison des molécules suivantes ; ce mécanisme est la liaison coopérative.

📌 À forte pression partielle d’oxygène, comme dans les alvéoles pulmonaires, l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène est élevée et la liaison est favorisée, tandis qu’à faible pression partielle, comme près des cellules respiratoires, l’affinité est faible et la dissociation est favorisée.

📌 L’hémoglobine fœtale a une affinité pour l’oxygène supérieure à celle de l’hémoglobine adulte, ce qui lui permet de se lier à l’oxygène à faible pO₂ au placenta, tandis que l’hémoglobine maternelle s’y dissocie de l’oxygène.

Compléments

• Chaque molécule d’hémoglobine comporte quatre sous-unités polypeptidiques et peut transporter quatre molécules d’oxygène, car chaque groupe héminique lie une molécule d’oxygène.

• Sur la courbe de dissociation de l’oxygène, la courbe de l’hémoglobine fœtale est décalée vers la gauche par rapport à celle de l’hémoglobine adulte et indique une saturation plus élevée à toute pO₂ donnée.

• Après la naissance, l’hémoglobine adulte produite par le bébé remplace progressivement l’hémoglobine fœtale, ce qui facilite la libération d’oxygène dans les tissus respiratoires d’un individu plus métaboliquement actif.

💡 Astuce mémo

Fœtale : capte l’oxygène à faible pO₂ ; adulte : le libère dans les tissus

📖 15. Allostérie et hémoglobine fœtale

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine allostérique : Une protéine allostérique peut exister dans plusieurs conformations et changer de forme lorsque l’oxygène s’y lie de façon coopérative.

★ À maîtriser

• L’hémoglobine fœtale a une affinité pour l’oxygène supérieure à celle de l’hémoglobine adulte, ce qui place sa courbe de dissociation plus à gauche.

• Le dioxyde de carbone inhibe allostériquement l’hémoglobine et réduit son affinité pour l’oxygène en limitant le changement de conformation nécessaire à la liaison de l’oxygène.

Compléments

• Le dioxyde de carbone exerce un effet allostérique moindre sur l’hémoglobine fœtale, qui conserve ainsi une affinité élevée pour l’oxygène même lorsque du dioxyde de carbone y est lié.

💡 Astuce mémo

CO₂ freine davantage l’hémoglobine adulte que l’hémoglobine fœtale

📖 16. Effet Bohr et libération d’oxygène

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet Bohr : L’effet Bohr désigne les changements de la courbe de dissociation de l’oxygène provoqués par les variations du dioxyde de carbone.

★ À maîtriser

• 🔄 La libération d’oxygène dans les tissus suit cette séquence :
  1. Le dioxyde de carbone se combine à l’eau pour former de l’acide carbonique.
  2. L’acide carbonique se dissocie en ions hydrogénocarbonate et en ions hydrogène.
  3. Les ions hydrogène se lient à l’hémoglobine et provoquent la libération d’oxygène.

• Une pression partielle élevée de dioxyde de carbone réduit l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène et déplace la courbe de dissociation vers la droite.

Compléments

• À pression partielle d’oxygène donnée, une concentration plus élevée de dioxyde de carbone correspond à un pourcentage de saturation de l’hémoglobine plus faible.

💡 Astuce mémo

CO₂ ↑ → pH ↓ → H⁺ se lie à l’hémoglobine → O₂ est libéré

📖 17. Lecture et mécanisme de la courbe

🔑 Notions clés & Définitions

• Courbe de dissociation de l’oxygène : La courbe de dissociation de l’oxygène montre la vitesse à laquelle l’oxygène s’associe à l’hémoglobine et s’en dissocie selon la pression partielle d’oxygène.
• Pression partielle d’oxygène : La pression partielle d’oxygène est la pression exercée par l’oxygène dans un mélange gazeux et mesure sa concentration.

★ À maîtriser

📌 Une forte affinité signifie que l’hémoglobine se lie facilement à l’oxygène et s’en dissocie lentement, tandis qu’une faible affinité signifie qu’elle s’y lie lentement et s’en dissocie facilement.

• À pression partielle d’oxygène moyenne, une faible variation de cette pression entraîne une forte variation de la saturation, ce qui favorise la libération d’oxygène dans les tissus respiratoires.

Compléments

• L’hémoglobine est saturée lorsque ses quatre sites de liaison contiennent chacun une molécule d’oxygène.

• À faible pression partielle d’oxygène, la liaison à l’hémoglobine est lente et la saturation est faible; dans les poumons, où la pression partielle est élevée, l’hémoglobine capte l’oxygène et devient saturée.

• La forme sigmoïde de la courbe s’explique par une liaison initiale lente de l’oxygène, suivie d’une liaison facilitée par le changement de conformation coopératif de l’hémoglobine, puis d’un ralentissement à l’approche de la saturation faute de sites disponibles.

💡 Astuce mémo

Première O₂ lente, suivantes facilitées, quatrième ralentie