Mécanismes de base de la respiration
L’oxygène (O2) est vital pour l’organisme. Chaque cellule du corps humain a besoin d’oxygène pour produire de l’énergie et remplir ses différentes fonctions. En revanche, le dioxyde de carbone (CO2) est le déchet que chaque cellule génère comme sous-produit de son métabolisme. Il est bien connu que les poumons sont les organes qui prélèvent l’oxygène de l’air et l’introduisent dans le corps et, inversement, expulsent le CO2 à l’expiration. Ce processus d’absorption de l’oxygène et d’élimination du CO2 se produit à chaque respiration.
La respiration comporte deux phases :
- inspiration
- expiration
À l’inspiration, le corps aspire l’air. L’air ambiant normal est composé d’environ 78 % d’azote et 21 % d’oxygène, en plus d’une petite quantité d’autres gaz à l’état de traces. Cette quantité d’oxygène est plus que suffisante pour que des poumons sains puissent l’absorber et le faire circuler dans l’organisme aux fins des activités quotidiennes normales.
On peut se demander quel est le mécanisme qui déclenche la respiration et comment se déroule exactement cet échange.
Le corps humain doit disposer d’un taux d’oxygène de base pour fonctionner. Il existe aussi un taux maximal de CO2 que le corps peut maintenir en tout temps. À tout moment, si le taux d’oxygène chute en deçà des valeurs indiquées ou si le taux de CO2 dépasse ce seuil, le cerveau intervient et demande aux poumons d’inspirer plus d’oxygène ou d’expirer plus de CO2.
Notions à retenir
C’est le cerveau qui déclenche la respiration d’après les besoins en oxygénation ou élimination de CO2 de l’organisme.
Le système nerveux central possède des chimiorécepteurs qui détectent les taux d’oxygène et de dioxyde de carbone dans l’organisme. Ces taux sont mesurés indépendamment l’un de l’autre. Les chimiorécepteurs centraux mesurent le taux de dioxyde de carbone et, lorsqu’il est trop élevé ou trop faible, ils envoient un signal au cerveau pour qu’il ajuste la respiration. Rappel : Le corps humain expire du CO2. Si les chimiorécepteurs centraux déterminent que le taux de CO2 est trop élevé dans le sang, ils envoient un message indiquant que le corps doit expirer davantage de CO2. À l’inverse, les chimiorécepteurs périphériques sont responsables d’analyser le taux d’oxygène. Si le taux d’oxygène dans le sang diminue, un signal est transmis pour indiquer que le corps a besoin d’inspirer plus d’oxygène. Ce signal déclenche une respiration.
Application des apprentissages
Pourquoi la respiration s’accélère-t-elle pendant les exercices cardiovasculaires? Quels sont les chimiorécepteurs impliqués dans ce processus?
Lorsque les chimiorécepteurs détectent le besoin de respirer, ils envoient un signal au cerveau pour qu’il déclenche une respiration en stimulant la contraction du diaphragme. Le diaphragme est le grand muscle situé sous les poumons. Dans cette animation, le diaphragme est en rouge et les poumons, en bleu.
GIF animé via Gfycat
Le diaphragme est rattaché au-dessous des poumons par l’espace pleural. Lorsque le diaphragme se contracte et descend, les poumons prennent de l’expansion.
Exemple pratique
Pensez au déploiement d’un accordéon. En tirant sur une extrémité, l’accordéon se déploie et se remplit d’air.
Il est important de comprendre ce concept, car il est lié à la pression dans les poumons et à leur volume. Lorsque le diaphragme se contracte et entraîne l’expansion des poumons, il en résulte un vide dans les poumons, une pression négative. Comme avec un aspirateur, l’air est aspiré. Cette pression négative fait en sorte que l’air entre passivement dans les poumons, tant que cette pression négative perdure.
Exemple pratique
Imaginez tenir une extrémité d’un Slinky dans chaque main. Lorsque vous descendez une main plus bas que l’autre, le Slinky tombe en cascade dans cette main. Lorsque vous descendez l’autre main, le Slinky retombe dans l’autre sens. De la même manière, lorsqu’il y a une pression négative plus ou moins forte dans les poumons, l’air s’y engouffre jusqu’à ce que la pression soit égale ou plus forte dans les poumons. L’air est alors expulsé des poumons.
Notions à retenir
S’il y a une pression négative dans un espace, l’air s’engouffre naturellement pour remplir cet espace. Tout comme l’eau qui s’écoule en aval, l’air s’écoule toujours d’une pression plus élevée à une pression plus faible.
Comment l’air cesse-t-il alors de circuler dans les poumons? Lorsque les poumons sont assez remplis (en fonction de la quantité d’oxygène dont le cerveau a décidé qu’il avait besoin pour satisfaire ses besoins), le diaphragme cesse de se contracter et se détend. Le diaphragme ne tire plus sur les poumons pour qu’ils se dilatent. Le vide est comblé et la pression négative s’est résorbée. Il est important de se rappeler que les poumons sont remplis d’air à ce stade. L’air les remplit passivement pendant un certain temps.
Exemples pratiques
Un poumon agit comme un ballon. Lorsqu’aucune autre force n’agit sur le poumon, une tension est exercée à la surface de chaque alvéole, exactement comme un ballon gonflé. Lorsque rien ne l’arrête, le poumon cherche naturellement à se vider, tout comme le recul élastique d’un ballon qui n’est pas fermé par un nœud et qui laisse fuir l’air.
Le tir à l’arc est un bon exemple de la mécanique naturelle des poumons. Le diaphragme tire sur les poumons, comme la main tire la corde de l’arc. Dès que cette force active s’interrompt, le recul élastique de l’arc intervient et le ramène à l’état relâché.
Cette force d’affaissement est obtenue par la tension superficielle et est identique à celle observée avec un ballon. Plus le ballon est gonflé, plus la tension pour qu’il dégonfle est élevée.
Au début de l’expiration, lorsque les poumons sont pleins et que la tension superficielle des poumons veut les faire s’affaisser, il y a une forte pression positive dans les poumons. Pensez à la forte pression exercée sur un ballon lorsqu’il est plein. Rappelez-vous que l’air circule toujours d’une pression plus élevée à une pression plus faible. L’air est donc expulsé des poumons (expiration).
Notions à retenir
Les poumons se comportent exactement comme des ballons lorsqu’aucune force extérieure n’agit sur eux (c’est-à-dire la tension superficielle lorsqu’ils sont remplis d’air ou la contraction du diaphragme qui les tire vers le bas), ils veulent passivement se dégonfler.
En résumé, le cycle d’inspiration et d’expiration s’explique par la circulation d’air de la pression ÉLEVÉE à la FAIBLE. Il commence à l’inspiration, lorsque les poumons ont une pression négative (faible) due à la contraction du diaphragme. L’air entre jusqu’à ce que le diaphragme cesse de se contracter, ce qui arrête la pression négative. L’inspiration s’arrête. À ce stade, les poumons sont remplis d’air et subissent une pression supérieure à celle de l’environnement extérieur. L’expiration s’enclenche lorsque l’air circule à nouveau d’une pression élevée à une pression faible.
En pensant au ballon et au Slinky, on pourrait conclure que le débit d’air expulsé passivement des poumons (expiration) se poursuivrait jusqu’à ce que les pressions s’équilibrent. Cette conclusion est vraie pour le ballon, mais pas pour le corps humain en raison d’un principe très important : la PEP intrinsèque. Ce sujet est abordé à la page suivante.
Attribution des éléments visuels
- Expiration, de LadyofHats via Wikimedia Commons, sous licence du domaine public
- Inhalation, de LadyofHats via Wikimedia Commons, sous licence du domaine public