Biologie du primaire et du collège · Grades 1–9
51Les poumons et les échanges gazeux
Chaque minute de ta vie, environ huit litres d’air traversent deux organes que tu n’as jamais vus. Chapitre 26 esquissait le trajet et l’échange ; Chapitre 47 plaçait la machine humaine parmi les quatre du règne animal. Ce chapitre complète le tableau : la machinerie de la ventilation, les poches d’air appelées par leur vrai nom, les nombres de l’échange — et ce que la fumée fait à l’ensemble.
51.1 La machinerie de la ventilation
Proposition 51.1 (Comment l’air est déplacé)
Les poumons n’ont pas de muscles à eux ; c’est la cage thoracique qui les pompe comme un soufflet :
- inspirer est un travail : les muscles des côtes soulèvent et élargissent la cage, et le diaphragme — le large plancher musclé sous les poumons — s’aplatit vers le bas ; la cage élargie étire les poumons, et l’air entre les remplir ;
- expirer, au repos, est surtout un relâchement : les muscles se détendent, la cage étirée revient d’elle-même, l’air ressort. (Souffler des bougies ajoute du muscle au ressort.)
Environ fois par minute au repos (Définition 26.1), sans qu’on le demande (Remarque 33.4) — et plus profondément et plus vite à la demande (Proposition 49.4).
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Exemple 51.2 (Sentir le soufflet)
Les mains sur les côtes, inspire profondément : la cage se soulève et s’élargit sous tes paumes (Exemple 26.2). Halète maintenant comme un chien : ces bouffées rapides et superficielles sont presque tout entières du diaphragme. Le hoquet, pour être complet, ce sont les faux départs saccadés du diaphragme — le soufflet qui rate son coup à son propre calendrier.
51.2 Les alvéoles et l’échange
Définition 51.3 (Alvéoles)
Les minuscules poches d’air de Définition 26.3 sont les alvéoles : des centaines de millions de bulles à paroi mince, groupées à l’extrémité la plus fine des voies aériennes, chacune enveloppée de fins vaisseaux sanguins. Leur surface totale est le demi-court de tennis de Remarque 26.4 — la copie humaine du cahier des charges « grande, mince, humide » de Proposition 47.1.
Proposition 51.4 (L’échange, en chiffres)
Compare l’air qui entre et l’air qui sort : l’air inspiré contient environ pour cent de dioxygène et presque pas de dioxyde de carbone ; l’air expiré est descendu à environ pour cent de dioxygène et monté jusqu’à environ pour cent de dioxyde de carbone (chaud et humide de surcroît — Exemple 26.7). Ces différences sont l’échange : à travers les parois alvéolaires, le dioxygène passe vers le sang et le dioxyde de carbone repasse en sens inverse (Proposition 26.5), à chaque minute de chaque jour.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Exemple 51.5 (La comptabilité tombe juste)
Huit litres par minute, un vingtième du dioxygène de chaque souffle retenu : l’arithmétique fournit à peu près la facture de dioxygène du corps au repos — et à l’effort, avec une ventilation triplée et approfondie et les tournées du cœur accélérées (Proposition 49.4), la livraison se multiplie pour égaler la facture des muscles. Les nombres de la machine et le registre du corps s’accordent ; ce sont les mêmes livres tenus à deux guichets.
51.3 La machinerie maltraitée : la fumée
Proposition 51.6 (Ce que la fumée fait à l’ensemble)
La fumée de tabac attaque chaque étage de ce chapitre (Proposition 36.5 donnait l’avertissement ; voici l’ingénierie) :
- ses goudrons enduisent et irritent les voies aériennes : les surfaces de nettoyage faiblissent, et la « toux du fumeur » est le balai débordé des voies aériennes ;
- les parois alvéolaires, irritées en permanence, se dégradent : les poches fusionnent en espaces moins nombreux, plus grands, plus flasques — de la surface est perdue, et l’échange avec elle (le cahier des charges, démantelé) ;
- l’un des gaz de la fumée occupe les places du dioxygène dans le sang, en le chassant de son propre transport ;
- et les voies aériennes se rétrécissent — chaque souffle dans une poitrine de fumeur est un souffle dans un soufflet en partie bouché.
Les dégâts sont lents, cumulatifs et seulement en partie réversibles : le poumon qui n’a jamais commencé garde entier son demi-court de tennis (Remarque 36.6).
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Exemple 51.7 (Deux épreuves d’escalier)
Les trois étages de Chapitre 49, montés par deux adultes de même âge et de mêmes habitudes d’entraînement, dont l’un fume depuis longtemps : le fumeur arrive essoufflé à un pouls que l’autre n’atteint qu’en sprintant. Moins de surface, des places prises, des voies rétrécies — la chaîne d’approvisionnement paie la facture de Proposition 49.1 à travers une admission étranglée. Les tests de condition physique lisent l’histoire des poumons aussi sûrement que n’importe quelle imagerie.
Méthode 51.8 (Entretenir la machinerie)
Méthode 26.8, remise à niveau avec les raisons de ce chapitre :
- pas de fumée — ni la tienne ni celle des autres : la surface perdue ne se regagne guère ;
- aère les pièces (Exercice 26.10) et préfère pour le sport un air extérieur propre ;
- exerce le soufflet : un effort qui fait respirer profondément muscle la ventilation et garde toute la surface ventilée ;
- respire par le nez dans le froid et la poussière (Exercice 26.7) — le filtre protège le balai.
51.4 Exercices
Exercice 51.1 ★
Décris l’inspiration et l’expiration comme travail et relâchement : quels muscles, quels mouvements ?
Solution
Solution de Exercice 51.1.
Inspiration : les muscles des côtes soulèvent et élargissent la cage pendant que le diaphragme s’aplatit vers le bas ; la cage étirée ouvre grand les poumons et l’air entre — un travail musculaire. Expiration au repos : les muscles se détendent et la cage étirée revient d’elle-même en poussant l’air dehors — un relâchement, presque gratuit.
Exercice 51.2 ★
Qu’est-ce que le diaphragme, et où se trouve-t-il ?
Solution
Solution de Exercice 51.2.
Le large plancher musclé sous les poumons, qui ferme la cage thoracique par le bas ; son aplatissement est la moitié profonde de chaque inspiration.
Exercice 51.3 ★
Que sont les alvéoles — combien, avec quelles parois, enveloppées de quoi ?
Solution
Solution de Exercice 51.3.
Les poches d’air des poumons : des centaines de millions de bulles à paroi mince à l’extrémité la plus fine des voies aériennes, chacune enveloppée de fins vaisseaux sanguins.
Exercice 51.4 ★
Donne les nombres ronds : le dioxygène de l’air inspiré, celui de l’air expiré ; le dioxyde de carbone de l’air expiré. Quelles sont les différences ?
Solution
Solution de Exercice 51.4.
Inspiré : environ pour cent de dioxygène, presque pas de dioxyde de carbone. Expiré : environ pour cent de dioxygène et environ pour cent de dioxyde de carbone. Les différences — cinq points de dioxygène prélevés, quatre de dioxyde de carbone ajoutés — sont l’échange lui-même.
Exercice 51.5 ★
Quel cahier des charges les alvéoles satisfont-elles, et avec quels deux autres organes de cette année le partagent-elles ?
Solution
Solution de Exercice 51.5.
La surface de passage grande, mince, humide et tapissée de sang. Partagée avec les lamelles des branchies (Proposition 47.1) et les villosités de l’intestin (Exemple 50.7).
Exercice 51.6 ★
Nomme trois des quatre attaques de la fumée contre la machinerie.
Solution
Solution de Exercice 51.6.
Des goudrons qui enduisent et irritent les voies aériennes (le balai débordé et sa toux) ; des parois alvéolaires qui se dégradent — de la surface perdue ; un gaz de la fumée qui occupe les places du dioxygène dans le sang ; des voies aériennes rétrécies qui étranglent le soufflet.
Exercice 51.7 ★★
Pourquoi inspirer est-il un travail alors qu’expirer au repos est gratuit ? D’où vient la poussée vers l’extérieur ?
Solution
Solution de Exercice 51.7.
L’inspiration doit étirer la cage et les poumons contre leur ressort — cet étirement est le travail. L’expiration de repos est le ressort lui-même qui revient : la cage élargie et les poumons étirés se rétractent, et cette rétraction pousse l’air.
Exercice 51.8 ★★
Explique pourquoi une surface alvéolaire perdue ne peut pas être compensée en respirant plus vite — quel facteur de l’échange manque ?
Solution
Solution de Exercice 51.8.
L’échange a besoin de surface autant que d’air frais : le passage ne se fait que là où l’air rencontre une paroi tapissée de sang. Un soufflet plus rapide à travers des poches moins nombreuses et plus flasques ventile une surface qui n’existe plus — le facteur manquant est l’aire de passage elle-même.
Exercice 51.9 ★★
Interprète les deux épreuves d’escalier de Exemple 51.7, attaque par attaque.
Solution
Solution de Exercice 51.9.
Le fumeur monte avec des voies aériennes rétrécies (admission étranglée), une surface alvéolaire réduite (moins de chargement par souffle) et des places de dioxygène occupées par le gaz de la fumée (moins transporté par tournée). Pour payer la même facture musculaire, le cœur doit faire plus de tournées — d’où l’arrivée essoufflée à un pouls de niveau sprint.
Exercice 51.10 ★★
Un plongeur expire lentement en remontant ; un trompettiste tient de longues notes régulières. Quelles moitiés de Proposition 51.1 chacun entraîne-t-il ou utilise-t-il ?
Solution
Solution de Exercice 51.10.
Tous deux sont un contrôle entraîné de la phase sortante : ajouter du muscle mesuré à ce qui n’est d’ordinaire qu’un ressort passif — le plongeur pour évacuer régulièrement l’air qui se détend, le musicien pour doser un long flux sortant maîtrisé. (Leurs inspirations profondes entraînent aussi le travail entrant.)
Exercice 51.11 ★★
Concilie Exemple 51.5 avec Proposition 49.4 : quels trois réglages multiplient la livraison à l’effort, et à quels guichets ?
Solution
Solution de Exercice 51.11.
Une ventilation plus profonde et plus rapide multiplie le chargement au guichet alvéolaire ; un cœur plus rapide et plus fort multiplie les tournées au guichet du transport ; le réacheminement élargit les vaisseaux locaux des muscles au guichet de la livraison. Trois réglages, une livraison multipliée (les livres équilibrés de Exemple 51.5).
Exercice 51.12 ★★★
« Le poumon est une frontière d’un demi-court de tennis repliée dans une boîte à chaussures, et la fumée est un feu lent à cette frontière. » Justifie les deux images avec les nombres et les mécanismes de ce chapitre.
Solution
Solution de Exercice 51.12.
La frontière : des centaines de millions d’alvéoles totalisent environ un demi-court de tennis de surface d’échange, replié dans une poitrine — et à travers elle, cinq points de pourcentage du dioxygène de chaque souffle passent vers l’intérieur et quatre de dioxyde de carbone vers l’extérieur. Le feu lent : les goudrons et l’irritation de la fumée consument cette frontière année après année — ils en enduisent les abords, en effondrent les poches, en saisissent les places de transport — de façon cumulative, silencieuse et seulement en partie réversible, comme une frontière brûlée plus vite qu’elle ne peut être rebâtie.
51.5 Problème : le dossier de la machine respiratoire
Problème 51.1
Problème du week-end — l’inspection du soufflet humain par des ingénieurs
Une classe d’ingénierie « inspecte » sur le papier la machine respiratoire humaine : admission, pompe, surface d’échange, liaison au transport, et carnet d’entretien.
Partie I — La pompe.
- Dresse le cycle de la pompe : les deux phases, ce qui les actionne, et laquelle coûte de l’énergie au repos.
- La pompe n’est en contact avec aucun muscle de l’organe pompé — les poumons n’en ont pas. Comment l’élargissement de la cage déplace-t-il donc de l’air ?
- Donne le rythme de la pompe au repos et ses deux réglages d’effort (Proposition 49.4).
- Haleter, soupirer, souffler des bougies : attribue à chacun sa place dans la mécanique du cycle.
Partie II — La surface d’échange.
- Décris la surface : nom, nombre, paroi, enveloppe, taille totale.
- Vérifie le cahier des charges de Proposition 47.1, point par point.
- L’air d’admission et l’air d’échappement diffèrent des pourcentages du chapitre. Calcule la différence de dioxygène en fraction des pour cent de l’admission — quelle part environ du dioxygène inspiré est retenue ?
- Pourquoi l’échappement reste-t-il chaud et humide — de quelle propriété de la surface est-ce le prix ?
Partie III — Le carnet d’entretien.
- Classe les quatre attaques de la fumée sous : admission, pompe, surface, transport. Une ligne pour chacune.
- Le dossier note : « les pertes de surface sont des pertes en capital ». Explique, par opposition aux toux et aux rhumes qui sont des réparations courantes.
- Rédige le programme d’entretien — Méthode 51.8 — en quatre directives d’ingénieur, avec leurs raisons.
- Conclus l’inspection : une phrase sur la raison pour laquelle cette machine, seule parmi les pompes et les frontières du corps, est à moitié sous le contrôle volontaire de son propriétaire — et sur ce à quoi sert ce contrôle (la parole, le chant, l’expiration lente du plongeur).
Solution
Solution de Problème 51.1.
1. Phase entrante : les muscles des côtes soulèvent et élargissent la cage, le diaphragme s’aplatit — cela coûte de l’énergie. Phase sortante (au repos) : les muscles se relâchent, la cage et les poumons reviennent d’eux-mêmes — presque gratuit. Le cycle se répète environ fois par minute.
2. Les poumons adhèrent à la paroi interne de la cage : élargis la cage et les poumons sont étirés avec elle, et l’air extérieur entre remplir l’espace étiré. La pompe travaille en remodelant la pièce, non en pressant l’organe.
3. Environ cycles par minute au repos ; à l’effort, les cycles s’accélèrent et s’approfondissent — plus de souffles, et plus d’air par souffle.
4. Haleter : des cycles rapides et superficiels, presque tout diaphragme. Soupirer : un étirement extra-profond et un long relâchement — une remise à zéro du ressort. Les bougies : la phase sortante, avec du muscle ajouté au ressort.
5. Les alvéoles : des centaines de millions de bulles à paroi mince, chacune enveloppée de fins vaisseaux, totalisant environ un demi-court de tennis.
6. Grande : le court total. Mince : des parois de bulles de l’épaisseur d’une cellule. Humide : leur revêtement. Tapissée de sang : les vaisseaux qui enveloppent. Cahier des charges satisfait sur les quatre points.
7. Cinq points retenus sur — environ un quart du dioxygène inspiré est prélevé à chaque souffle.
8. De l’humidité de la surface : l’air qui sort a balayé des parois mouillées (et chaudes), si bien que l’échappement emporte de l’eau et de la chaleur — le miroir embué est le coût d’entretien de la surface, payé à chaque souffle.
9. Admission : les goudrons enduisent et irritent les voies aériennes. Pompe : des voies rétrécies étranglent chaque cycle. Surface : les parois alvéolaires se dégradent et fusionnent — de l’aire perdue. Transport : le gaz de la fumée occupe les places du dioxygène dans le sang.
10. Les toux et les rhumes enflamment puis nettoient — la machinerie se répare et reprend du service. Les parois alvéolaires rompues, elles, ne se rebâtissent pas : chaque poche fusionnée est de l’aire d’échange rayée définitivement des livres — du capital, pas des frais courants.
11. (1) N’admettre aucune fumée : les pertes en capital sont définitives. (2) Fonctionner à l’air propre : filtres et balais ont une capacité limitée. (3) Faire travailler la pompe en charge : un effort profond entretient les muscles et ventile toute la surface. (4) Admettre par le nez dans le froid et la poussière : le préconditionnement protège la mécanique.
12. Seul parmi les pompes du corps, le soufflet obéit à la fois aux services automatiques et à la volonté — parce que le même flux sortant qui évacue le dioxyde de carbone est le souffle de la parole et du chant, et qu’une machine prêtée au langage doit accepter la main de celui qui parle sur les commandes.