Biologie du primaire et du collège · Grades 1–9
47Comment les animaux respirent
La truite sous le pont, le ver de terre sous la pelouse, la libellule au-dessus et toi qui te tiens là faites tous la même chose en cette minute : prendre du dioxygène dans votre milieu (Définition 46.1). Mais vos milieux diffèrent — air, sol, eau — et l’équipement aussi. Ce chapitre est une visite des machines respiratoires du règne animal.
47.1 Un seul problème, quatre machines
Proposition 47.1 (Le cahier des charges commun)
Tout organe respiratoire, quel qu’en soit le propriétaire, est bâti selon un seul cahier des charges, déjà rencontré dans Remarque 26.4 : une surface grande, mince et humide où le sang de l’animal (ou son liquide interne) s’approche assez de son milieu pour que le dioxygène entre et que le dioxyde de carbone sorte. Grande pour un passage suffisant ; mince pour un passage facile ; humide parce que les gaz traversent dissous. Les machines diffèrent par la façon dont elles présentent cette surface au milieu.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Définition 47.2 (Les quatre machines)
Les animaux présentent leur surface d’échange de quatre grandes façons :
- les poumons : des poches remplies d’air repliées à l’intérieur du corps, ventilées par des mouvements respiratoires — mammifères, oiseaux, reptiles, amphibiens adultes ;
- les branchies : des surfaces plumeuses tenues à l’extérieur ou au bord du corps, lavées par un courant d’eau — poissons (Exercice 26.11), têtards, nombreuses larves aquatiques, moules ;
- les trachées : un réseau de fins tubes à air conduits depuis des ouvertures réparties sur le corps jusqu’à chaque organe — les insectes ; l’air est livré à domicile, en grande partie sans l’aide du sang ;
- la respiration cutanée : toute la peau humide comme surface d’échange — le ver de terre entièrement ; les amphibiens en gros complément de leurs poumons rudimentaires.
Exemple 47.3 (Voir tourner les machines)
Chaque machine montre son rythme. La bouche et les opercules de la truite pompent en alternance régulière — l’eau entre par la bouche, passe sur les branchies, ressort sous les opercules. L’abdomen de la sauterelle au repos bat — il pompe ses tubes à air. La gorge de la grenouille palpite — elle pousse l’air dans ses poumons (aucune cage thoracique pour le faire). Seul le ver de terre ne montre rien : la respiration cutanée n’a aucun mouvement, et c’est justement pourquoi Définition 46.1 distinguait l’échange du pompage.
47.2 La machine va avec le milieu — et avec la vie
Proposition 47.4 (Pourquoi chaque machine, et où)
Les machines se répartissent selon les milieux et les modes de vie (Définition 28.1 à l’œuvre sur la respiration) :
- les branchies conviennent à l’eau : leurs surfaces plumeuses s’y déploient, sans cesse lavées — et s’affaissent inutilement à l’air (la truite qui étouffe de Exercice 26.11) ;
- les poumons conviennent à l’air : repliés à l’intérieur, ils restent humides là où de l’eau à découvert serait perdue — mais ils ne peuvent pas récolter le maigre dioxygène dissous de l’eau ;
- les trachées conviennent aux petits corps : excellentes sur des distances de l’ordre du millimètre, elles livrent trop lentement sur de longues distances — une des raisons pour lesquelles les insectes restent petits ;
- la respiration cutanée convient aux vies petites, à peau humide, dans les endroits mouillés : toute la surface du ver suffit à peine à son corps mince, et l’air sec le tue — souviens-toi des vers de terre échoués après la pluie.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Exemple 47.5 (Deux vies, deux machines chez un même animal)
La grenouille parcourt tout le chapitre en une seule vie : des branchies quand elle est têtard (une machine d’habitante de l’eau, Exemple 8.7), des poumons plus une peau humide à l’âge adulte — les poumons rudimentaires, la peau assurant une bonne part du travail, surtout pendant l’hiver froid passé au fond de la mare (Exercice 38.11 : cette grenouille engourdie respire par la seule peau). La métamorphose reconstruit jusqu’à la machinerie respiratoire.
Exemple 47.6 (Respirer de l’air en vivant dans l’eau)
Les habitants de l’eau munis de poumons doivent faire la navette. Le dauphin et la baleine remontent souffler et inspirer (Exemple 44.5 : des poumons de mammifère, hérités d’ancêtres terrestres) ; la limnée grimpe à la surface pour refaire le plein ; le dytique emporte sous ses élytres une bulle d’air argentée — une bouteille de plongée, renouvelée en surface. Le milieu de vie se négocie ; celui de la machine, non.
Méthode 47.7 (Lire la respiration d’un animal)
Devant un animal que tu ne connais pas :
- où vit-il — et peut-il en sortir ? (eau, air, sol ; navetteur ou résident) ;
- cherche les signes de la machine : des opercules ou des touffes plumeuses ; des narines et une poitrine qui bouge ; des rangées de minuscules ouvertures le long d’un corps d’insecte ; ou rien de visible, sinon une peau humide ;
- observe le rythme : opercules qui pompent, abdomen qui bat, poitrine qui se soulève, remontées en surface ;
- nomme la machine — et confronte-la au milieu avec Proposition 47.4.
Remarque 47.8 (Le cahier des charges ne change jamais)
Sous la variété, examine de près n’importe laquelle des quatre machines et Proposition 47.1 reparaît : les lamelles de la branchie, les poches du poumon, les extrémités les plus fines des trachées et la peau du ver sont toutes des lieux de rencontre grands, minces et humides entre le milieu et le corps. Quatre machines, un seul cahier des charges — l’unité du vivant (Proposition 29.2), écrite en équipement respiratoire.
47.3 Exercices
Exercice 47.1 ★
Énonce le cahier des charges commun que respecte tout organe respiratoire, et pourquoi chacune de ses trois propriétés compte.
Solution
Solution de Exercice 47.1.
Une surface d’échange grande, mince et humide où le sang (ou le liquide interne) rencontre le milieu. Grande : assez de passage au total ; mince : un passage facile ; humide : les gaz traversent dissous.
Exercice 47.2 ★
Nomme les quatre machines, chacune avec deux propriétaires.
Solution
Solution de Exercice 47.2.
Poumons : mammifères, oiseaux (aussi reptiles, amphibiens adultes). Branchies : poissons, têtards (aussi moules, larves aquatiques). Trachées : sauterelles, abeilles — les insectes en général. Respiration cutanée : le ver de terre ; les amphibiens en complément.
Exercice 47.3 ★
Décris le pompage de la truite : le trajet de l’eau à l’entrée, à la traversée et à la sortie.
Solution
Solution de Exercice 47.3.
L’eau entre par la bouche, est poussée sur les branchies plumeuses — où se fait l’échange — et ressort sous les opercules : un courant à sens unique, pompé en alternance par la bouche et les opercules.
Exercice 47.4 ★
Comment les insectes livrent-ils le dioxygène sans poumons — et en grande partie sans l’aide du sang ?
Exercice 47.5 ★
Pourquoi une truite échouée étouffe-t-elle dans un air riche en dioxygène ?
Solution
Solution de Exercice 47.5.
Hors de l’eau, ses surfaces branchiales plumeuses s’affaissent et se collent : la grande surface se réduit à presque rien, et sans surface il n’y a pas de passage — du dioxygène en abondance, aucune machine pour le prendre.
Exercice 47.6 ★
Pourquoi un soleil sec tue-t-il un ver de terre sur le trottoir ? Quelle machine défaille, et comment ?
Solution
Solution de Exercice 47.6.
La respiration cutanée — et c’est la condition d’humidité qui défaille : la peau qui sèche ne laisse plus passer les gaz, et le ver étouffe à l’air libre. Grande et mince ne sauvent pas une surface qui n’est plus humide.
Exercice 47.7 ★★
Énumère les machines respiratoires de la grenouille au fil de sa vie, chacune avec sa saison ou son stade.
Exercice 47.8 ★★
Le dauphin vit comme un poisson mais se noie comme un homme. Explique avec la machine et l’ascendance (Exemple 44.5).
Solution
Solution de Exercice 47.8.
Sa machine est le poumon — hérité d’ancêtres terrestres qui allaitaient — si bien qu’il doit remonter respirer de l’air, si poissonnière que soit sa vie : maintenu sous l’eau, il se noie. L’habit est celui de l’eau ; la machine est celle de la famille.
Exercice 47.9 ★★
Qu’est-ce que la bulle argentée du dytique, et que doit faire le dytique à son sujet régulièrement ?
Solution
Solution de Exercice 47.9.
Une réserve d’air emportée — une bouteille de plongée sous les élytres, dans laquelle puisent ses trachées. Il doit remonter régulièrement en surface pour renouveler la bulle.
Exercice 47.10 ★★
Applique Méthode 47.7 à : (a) une moule ; (b) une sauterelle ; (c) une couleuvre qui traverse la mare à la nage.
Solution
Solution de Exercice 47.10.
(a) Moule : résidente de l’eau, aucun mouvement visible mais des branchies à l’intérieur de la coquille, lavées par un courant pompé. (b) Sauterelle : résidente de l’air ; des rangées de minuscules ouvertures, un abdomen qui bat — des trachées. (c) Couleuvre : une reptile navetteuse — des poumons ; elle nage narines hors de l’eau et remonte respirer.
Exercice 47.11 ★★
Pourquoi n’existe-t-il pas d’insectes de la taille d’une baleine ? Réponds avec la limite des trachées.
Solution
Solution de Exercice 47.11.
Les trachées livrent par des tubes à air ramifiés, excellentes sur quelques millimètres et trop lentes sur de longues distances : chez un corps de la taille d’une baleine, les organes internes seraient trop loin de toute ouverture. La machine fixe un plafond de taille, et les insectes vivent en dessous.
Exercice 47.12 ★★★
« Quatre machines, un seul cahier des charges. » Défends la phrase : nomme le cahier des charges commun, et montre comment la branchie, le poumon, les trachées et la peau satisfont chacun ses trois exigences.
Solution
Solution de Exercice 47.12.
Le cahier des charges : une surface de rencontre grande, mince et humide entre le corps et le milieu. Les branchies le satisfont par des surfaces plumeuses déployées par l’eau ; les poumons par des millions de poches repliées à l’abri et humides ; les trachées par la surface intérieure totale de leurs extrémités les plus fines, humides au bout ; la peau par tout l’extérieur humide du corps, gardé grand par rapport à un corps petit et mince. Quatre supports, une seule chose supportée.
47.4 Problème : le recensement des respirants de la mare
Problème 47.1
Problème du week-end — une mare, toutes les machines au travail
Un après-midi à la mare avec épuisette, boîte-loupe et carnet. Le recensement : des alevins de truite et des épinoches ; des têtards (certains avec des pattes arrière) ; des grenouilles adultes ; des limnées qui croisent sous la pellicule de surface ; un dytique qui lance des éclats d’argent ; des larves d’éphémère à touffes plumeuses sous les pierres ; et, dans la pelouse humide du bord, des vers de terre.
Partie I — Nommer les machines.
- Attribue à chaque membre du recensement sa machine respiratoire.
- Les touffes plumeuses de la larve d’éphémère s’agitent sans cesse, même en eau immobile. Que sont-elles, et à quoi sert cette agitation ?
- Quels membres du recensement doivent monter en surface, et pourquoi ceux-là exactement ?
- Les têtards sans pattes et ceux qui en ont peuvent différer autant à l’intérieur qu’à l’extérieur. Quelle reconstruction est en cours, d’après Exemple 47.5 ?
Partie II — Les machines à l’épreuve.
- Une semaine chaude et sans vent fait baisser le dioxygène dissous de la mare (Chapitre 48 expliquera pourquoi). Classe le recensement : qui souffre en premier — les utilisateurs de branchies, ou les navetteurs de surface ? Pourquoi ?
- Cette semaine-là, les épinoches se tiennent juste sous la surface, la bouche s’agitant à la pellicule. Interprète ce comportement avec le cahier des charges : qu’a de particulier le millimètre supérieur de l’eau ?
- Un promeneur maladroit soulève des nuages de vase fine. Quelle machine s’encrasse, et que t’attendrais-tu à voir faire aux animaux concernés ?
- Après une nuit de pluie, les vers de terre de la pelouse sont étalés sur le chemin. Explique ce spectacle classique : quelle machine, et quelle condition, les ont fait monter ?
Partie III — La carte d’ensemble.
- Dresse le recensement en tableau : animal, machine, milieu, navetteur ou résident. Quel cahier des charges unique chapeaute chaque colonne de machine, d’après Remarque 47.8 ?
- La mare gèle en janvier et sa surface se ferme. Prédis les sorts de l’hiver : les grenouilles (Exercice 38.11), les limnées, le dytique, les poissons — qui est en difficulté, qui est pourvu ?
- Une nouvelle venue arrive : une argyronète qui tisse une cloche de soie et la garnit d’air de surface. Place son astuce à côté de celle du dytique, et nomme la machine qu’elle continue de servir.
- Conclus : pourquoi une seule petite mare a-t-elle besoin de quatre machines respiratoires différentes pour être entièrement habitée ? Une phrase, en employant milieu et dioxygène.
Solution
Solution de Problème 47.1.
1. Alevins de truite et épinoches : branchies. Têtards : branchies (ceux à pattes en pleine reconstruction). Grenouilles adultes : poumons plus peau. Limnées : poumons — des navetteuses de surface. Dytique : trachées, alimentées par sa bulle emportée. Larves d’éphémère : branchies (les touffes plumeuses). Vers de terre : la peau.
2. Des branchies. L’agitation renouvelle l’eau au contact de la surface branchiale — un courant fabriqué sur place là où la mare immobile n’en fournit aucun, qui maintient au lieu du passage une eau fraîche chargée de dioxygène.
3. Les limnées, le dytique, les grenouilles adultes (et toute couleuvre de passage) : tous les utilisateurs de poumons et de bulles — leurs machines prennent le dioxygène dans l’air, si bien que la surface est leur station-service.
4. La reconstruction respiratoire de la métamorphose : les branchies qui servaient le têtard sans pattes sont échangées contre les poumons (et la peau respirante) dont le grenouillet aura besoin à terre.
5. Les utilisateurs de branchies souffrent en premier : toute leur réserve est le stock dissous qui s’épuise. Les navetteurs — limnée, dytique, grenouille — puisent dans l’air illimité du dessus et se contentent de faire la navette plus souvent.
6. Le millimètre supérieur touche l’air : le dioxygène s’y dissout depuis le dessus, si bien que la couche de la pellicule est l’eau la moins pauvre d’une mare qui étouffe. Les épinoches font la queue au dernier puits.
7. Les branchies s’encrassent : la vase fine se dépose sur les surfaces plumeuses et bloque le passage. Attends-toi à voir les respirants à branchies fuir le nuage, et le pompage des opercules peiner — des spasmes de toux pour chasser le limon.
8. La respiration cutanée, et la condition « humide mais non privé d’air » : les galeries gorgées d’eau contiennent trop peu de dioxygène, si bien que les vers montent respirer — ils échangent l’étouffement d’en bas contre le risque de dessèchement d’en haut.
9. Tableau à dresser (machine et milieu pour chaque animal ; navetteurs : limnée, dytique, grenouille). En tête de chaque colonne : la surface d’échange grande, mince et humide — le cahier des charges unique que tiennent les quatre machines.
10. Grenouilles : pourvues — engourdies dans la vase, elles respirent par la peau leur petit besoin d’hiver. Limnées et dytique : en difficulté — leur surface est scellée ; ils hivernent au ralenti, besoins réduits ou bulles emprisonnées. Poissons : pourvus tant que dure le stock de l’eau — le froid ralentit tous les bruits de moteur (Exemple 46.7), et les branchies suffisent à la demande réduite sous la glace.
11. La cloche de soie de l’araignée est un réservoir d’air fixe là où la bulle du dytique est un réservoir emporté : toutes deux stockent de l’air de surface sous l’eau et continuent de servir une machine à air (l’équipement de poumons en feuillets et de trachées de l’araignée) dans le mauvais milieu.
12. Parce que la mare offre du dioxygène dans deux milieux — rare et dissous en dessous, abondant au-dessus — et que chaque machine récolte un seul milieu à une seule taille de vie : ce n’est qu’avec les quatre au travail que chaque recoin, de la vase à la pellicule de surface, est habité.