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La respiration des Vertébrés en milieu aquatique et en milieu aérien (2014) | Page 1 Université de Nantes

Préparation au Capes externe (T. JEAN) Éléments de correction1 du Capes blanc (écrit type 1) du 21 novembre 2014

La respiration des Vertébrés en milieu aquatique et en milieu aérien

Comparaison de la fonction respiratoire chez les Téléostéens et chez les Mammifères (terrestres) Introduction Comme la plupart des organismes vivants Vertébrés possèdent des

cellules quATP (adénosine triphosphate). Cette molécule est

essentiellement produite par la respiration cellulaire lors de laquelle de la matière organique est oxydée par du

dioxygène, ce qui aboutit à la formation de dioxyde de carbone. Aussi, les organismes assurent un prélèvement de

dioxygène dans leur environnement et un rejet de dioxyde de carbone ces échanges gazeux portant le nom de

respiration caractérisés par exemple par la présence de vertèbres), : les branchies pour les organismes aquatiques et les

poumons chez les organismes aériens, les deux milieux ayant des propriétés physico-chimiques très différentes : ƒLe milieu aquatique est

égale

négligeable en milieu aérien.

ƒLe milieu aquatique es ce qui nécessite

une énergie plus importante pour le mettre en mouvement.

ƒLe mi lieu aquatique est 30 fois plus pa uvre en d ioxygè ne que l e milieu a érien faible

disponibilité du dioxygène dans le milieu pour les organismes aquatiques.

ƒLe milieu aquatique est, par nature, moins desséchant que le milieu aérien qui possède un fort potentiel

hydrique et est profondément déshydratant

La fonction respiratoire se réalisant

des caractéristiques du milieu de vie. de la respiration

chez les Téléostée ns (Vertébrés vivant en mili eu aquatique, caractérisés p ar des nageoires rayonn ées et une

nageoire caudale homocerque) et chez les Mammifères (Vertébrés Tétrapodes aériens caractérisés par des poils et

Comment les Téléostéens et les Mammifères terrestres prélèvent-ils efficacement du dioxygène et rejettent-

ils du dioxyde de carbone dans des milieux de v ie aux prop riétés différente s, respectivement le milie u

aquatique et le milieu aérien ? Nous allons essayer de répondre à ce problème en étudiant et la structure des

échangeurs respiratoires assure une diffusion efficace des gaz en lien avec le milieu de vie (au niveau duquel se

réalisent les échanges gazeux respiratoires). Nous verrons ensuite comment la mise en place de processus actifs et

modulables de mise en mouvement du milieu extérieur permet de maintenir des gradients de pression partielle en

gaz resp iratoires élevés entre milieu intérieur e t fluide exte rne, là encore en lien avec des modal ités propres à

chaque milieu. Enfin, nous essaierons de comprendre comment, dans chaque type de milieu, le couplage de la

circulation du milieu intérieur (le sang) avec la fonction respiratoire et au

transport efficace des gaz respiratoires. 1 Quelques remarques générales sur ce corrigé : 1.Ce corrigé est une proposition : il ne prétend en aucun cas être un modèle ou la meilleure solution possible de traitement duméthodologie 2.Ce corrigé se rapporte précisément au sujet blanc qui vous a été soumis le 21 novembre 2014 : un sujet avec un libellé

il faut se garder

.3.étude des documents doit ici être intégrée à la dissertation de manière fluide mais rigoureuse : je rédige en vert

rmations ne découle pas de manière nécessaire des données du document.4.Ce su jet suppos e un plan co mparatif : da ns un tel sujet, il convient de trouver une problématique support à la comparaison -même, mais bien les enseignements que celle-ci apporte par

rapport à cette problématique. Le plan doit être, dans la mesure du possible, fondé sur les points communs

cile). La respiration des Vertébrés en milieu aquatique et en milieu aérien (2014) | Page 2 I. Les échangeurs respiratoires (branchies ou poumons) : des surfaces importantes et fines, évaginées ou invaginées selon la portance du milieu et protégées A. Des échanges gazeux respiratoires toujours régis par la loi de Fick

ƒ Chez les Téléostéens comme chez les Mammifères, la diffusion des gaz respiratoires au travers de surfaces

première loi de Fick qui peut être exprimée comme suit : A

J = flux de gaz

S

K " constante » dépend du gaz

ǻP = différentiel de pression partielle entre les deux compartiments e ƒ laisse passer aisément les gaz respiratoires. efficace que :

¾ S

>> les échangeurs offrent généralement une , souvent grâce à des replis ou circonvolutions ou

encore une ramification de conduits. ¾ K : le gaz passe facilement au travers des tissus. ¾ ǻP : la différence de pression partielle entre les deux compartiments est importante. >> il y permettant la diffusion des gaz au niveau des surfaces respiratoires ou des capillaires.

¾ e

>> les échangeurs présentent souvent une paroi très fine entre milieu interne et milieu externe (de même que les capillaires où

B. Des surfaces importantes et repliées, de faible épaisseur, permettant une diffusion efficace des

gaz respiratoires

ƒ Chez les Téléostéens comme chez les Mammifères, les surfaces présentent divers niveaux de replis qui

ƒ Chez les Téléostéens, quatre holobranchies (soit huit en tout)

constituées de deux séries de lames branchiales qui sont portées chacune par un axe squelettique nommé

arc branchial, lequel présente le plus souvent des épines calcifiées nommées branchiospines (figure 1). Ces

branchies sont situées dans la cavité pharyngienne (= cavité branchiale) qui communique avec la cavité

buccale. Chaque lame branchiale est elle-même divisée en lames secondaires ou lamelles branchiales au

niveau desquelles se réalisent les échanges gazeux. : chez une Truite par exemple, la surface des branchies est estimée à 400 cm2. (inclus document 1)

a. Utiliser le document 1 et le compléter : cavité pharyngienne (= branchiale), cavité buccale, arc branchial,

éventuellement (en précisant alors que la sorti b. : montrer une branchie longitudinalement et sa division en nombreuses lames puis faire un gros plan sur une lame pour y montrer les lamelles. lamelle peut attendre le point suivant.

ƒ Chez les Mammifères, les poumons (figure 2) prolongent les cavités buccale et nasale. Ils sont précédés

pharynx (qui assure notamment larynx permettant la

production de sons grâce aux cordes vocales. Ils sont fondamentalement constitués réseau tubulaire

ramifié trachée artère divisée en bronches qui se divisent elles-mêmes en bronchioles de

utissement dans des structures lacunaires en forme de petits sacs, les alvéoles pulmonaires, où se réalisent les échanges gazeux respiratoires. La surface alvéolaire adulte par exemple représente entre 70 m2 à 100 m2.

Figure 2. Organisation d

celui du diaporama)

2. Une faible épaisseur entre le fluide externe et le milieu intérieur

ƒ Chez les Téléostéens comme chez les Mammifères, les

épithéliums fins qui permettent le passage du dioxygène du fluide externe vers le milieu intérieur et du

dioxyde de carbone du milieu intérieur vers le fluide externe.

ƒ Le document 2 est un cliché microscopique (probablement au microscope électronique à transmission) qui

Téléostéen (Truite). On observe que le milieu extérieur (eau) est séparé du lame basale cellule en pilier qui limite la lacune La respiration des Vertébrés en milieu aquatique et en milieu aérien (2014) | Page 3 sanguine. Le décollement entre lame basale et épithélium externe est probabl ; si on ne tient pas compte de ce décollement.

connaissances, nous savons que les lamelles sont parcourues par deux vaisseaux sanguins dont le contenu

fuite dans des lacunes au niveau des lamelles qui sont fondamentalement les lieux des échanges respiratoires

(figure 3).

Faire un schéma global de la lame avec les lamelles, montrant les deux vaisseaux, la lacune sanguine, les

justement le (plutôt que de coller le document pour ne rien y ajouter !) du document

2. Ajouter des flèches montrant le sens des échanges gazeux et, si le

des fluides interne et externe.

ƒ Le document 3A est un cliché microscopique (probablement au microscope électronique à transmission) qui

Téléostéen (Truite). On observe que le milieu extérieur (eau) est séparé du un épithélium constitué de très fines cellules (pneumocytes de type I), une lame basale

moins de air et le sang. On notera la présence de fibroblastes qui participent à la production de

la lame basale. nos connaissances, nous savons pneumocytes de types II, surfactant qui permet de diminuer la tension superficielle dans les alvéoles, ce qui effondrement alvéolaire et leur collapsus (figure 4).

Figure 4. Organisation de la paroi alvéolaire

(avec tous les constituants sus-décrit) dont une partie sera le du document 3A. C. Des surfaces évaginées en milieu porteur (aquatique) et invaginées en milieu peu porteur (aérien)

ƒ La portance importante du milieu aquatique

" suspension » des branchies qui sont des structures fondamentalement évaginées (figure 1). Portées par

lames branchiales

ƒ La faible portance du milieu aérien

poumons sont au contraire des cavités invaginées (figure 2) dont la forme est maintenue par un accolement

étroit, grâce à la plèvre, à la cage thoracique, partie du squelette axial au sein de laquelle se situent les

poumons et . On notera la présence danneaux cartilagineux à fonction rigidifiante dans les conduits

aériens. D. Des surfaces protégées des agressions mécaniques et de la déshydratation (ou de la surhydratation !)

1. Une protection mécanique

ƒ Chez les Téléostéens comme chez les Mammifères, les échangeurs respiratoires sont protégés par des

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