Les poumons et la respiration
Christophe HAUTIER, PhD
Maître de Conférences Habilité à Diriger des Recherches
Responsable Master 2 PPMR
Dernière mise à jour : septembre 2015
Le système respiratoire est composé des voies aériennes supérieures (nez, bouche, pharynx, larynx), de la trachée, des bronches, des poumons (bronchioles et alvéoles) et des muscles respiratoires (diaphragme, intercostaux) (Figure 1). Le rôle de ce système est d’échanger l’oxygène et le dioxyde de carbone entre le sang et l’air ambiant afin de maintenir l’homéostasie (équilibre des fonctions physiologiques) et de permettre la production d’énergie.
Les cavités se terminent par les alvéoles pulmonaires (environ 300 millions) qui sont de minuscules cavités dont les parois fines facilitent les échanges entre l’air et le sang contenu dans les capillaires sanguins. Cette zone d’échange entre l’air et le sang représente une surface totale de près de 75 m2. Certaines cellules de la paroi alvéolaire sécrètent un surfactant (le mucus) qui protège des infections. Ce surfactant est expulsé lorsqu’il est en trop grande quantité ou lors d’infection pulmonaire grâce aux réflexes de toux et d’éternuement.
1 La mécanique ventilatoire
Les poumons sont reliés à la cage thoracique par deux feuillets qui constituent la plèvre et qui permettent le glissement et le mouvement. L’un des feuillets est relié au poumon alors que l’autre est relié à la cage thoracique, entre les deux le liquide pleural les maintient collés tout en réduisant les frictions.
Au repos, l’inspiration se fait par l’action des muscles inspirateurs que sont le diaphragme et les muscle intercostaux qui augmentent le volume de la cage thoracique qui tire sur les poumons et crée une dépression à l’intérieur de ceux-ci faisant entrer l’air (environ un demi litre d’air au repos à chaque cycle ventilatoire). Lors d’une inspiration forcée d’autres muscles entrent en jeu tels que les scalènes, les pectoraux et les muscles sterno-cléido-occipito-mastoïdiens ce qui permet d’inspirer jusqu’à 3 litres d’air.
Au repos, l’expiration est un mécanisme passif qui repose essentiellement sur l’élasticité des poumons et de la cage thoracique. Lors d’une expiration forcée les muscles abdominaux (obliques et transverses) se contractent et compriment les viscères ce qui pousse sur le diaphragme qui comprime les poumons.
Lors d’un cycle respiratoire de repos le corps inspire et expire ½ litre d’air. Ce volume est appelé le volume courant. Bien entendu, cela dépend de la taille et du poids de l‘individu. Au repos, les poumons d’un adulte contiennent 3 litres en fin d’inspiration et 2,5 litres en fin d’expiration.
Lors d’une inspiration forcée un adulte peut inspirer 2,5 litres de plus que le volume courant. A la fin de cette inspiration forcée, la capacité pulmonaire totale (volume d’air dans les poumons) atteint 6 litres.
Lors d’une expiration forcée, un individu adulte en bonne santé peut expirer 1 litre de plus que lors d’une expiration normale et à la fin de cette expiration les poumons contiennent encore un peu plus d’un litre d’air qui ne peut pas être expiré et que l’on appelle le volume résiduel.
L’âge et certaines pathologies (infection pulmonaire passagère ou Broncho-Pneumopathie-Chronique-Obstructive, BPCO) diminuent les volumes pulmonaires et les débits expiratoires et inspiratoires. Ces pathologies sont problématiques car en diminuant les volumes d’air elles affectent les échanges gazeux et limitent la capacité de l’individu à prélever l’oxygène et à éliminer le dioxyde de carbone. Ceci affecte directement la capacité de l’individu à fournir des efforts ce qui peut influencer son style de vie en augmentant la sédentarité dans le cas de pathologies chroniques.
2 Les échanges gazeux
L’objectif de la respiration est de permettre de renouveler l’oxygène au niveau des cellules de l’organisme et de rejeter le dioxyde de carbone produit par le métabolisme de ces mêmes cellules. Pour cela, brasser de l’air en suffit pas, il faut également que les parois alvéolaires permettent les échanges gazeux. Comme nous l’avons vu, les parois sont très fines et fortement vascularisées ce qui signifie que les échanges entre l’air et le sang sont facilités chez le sujet sain. L’air que l’on respire est composé principalement de trois gaz, l’oxygène à hauteur de 20,9%, l’azote pour près de 79% et le dioxyde de carbone (C02 pour le reste). L’azote est un gaz inerte dont ne se sert pas l’organisme. Par contre l’oxygène est utilisé par les cellules pour produire de l’énergie et le métabolisme de ces dernières produit du C02. Les différences de pression de part et d’autre de la membrane alvéolaire génèrent des échanges appelés diffusion qui vont toujours des compartiments où la pression d’un gaz est plus forte vers les compartiments où elle est plus faible. Ainsi, la forte concentration en oxygène dans les alvéoles pulmonaires favorise la diffusion de celui-ci en direction du compartiment sanguin où le sang veineux revenant des organes a été appauvri en oxygène par le prélèvement des différents organes. A l’inverse, le sang veineux est riche en C02 produit par les cellules et celui-ci diffuse en direction des alvéoles pour être éliminé lors de l’expiration.
Le sang qui repart des poumons est donc riche en oxygène dissout dans le plasma mais ce n’est pas comme cela que l’organisme transporte la plus grande partie de l’02 aux cellules. En effet, la plus grande partie de l’oxygène contenu dans le sang se trouve sous forme liée à l’hémoglobine (98%). Plus la concentration en 02 augmente plus l’hémoglobine se charge en 02.En temps normal, 98 à 99% de l’hémoglobine se trouve liée à l’oxygène, c’est ce qu’on appelle la saturation en 02 mesurée avec un capteur au bout du doigt (saturomètre). Certaines maladies et l’altitude peuvent entraîner une désaturation qui impacte sur la capacité à l’effort. Le sang repart donc des poumons, saturé en oxygène pour livrer cet oxygène au niveau des organes où la concentration en 02 est plus basse. La libération de l’oxygène par l’hémoglobine est favorisée par le fait que la température, l’acidose et la concentration en C02 soient plus élevées au niveau des organes.
3 Le contrôle de la respiration
La respiration est une activité rythmique, automatique et permanente qui n’a pas besoin du contrôle volontaire. Pour autant, la fréquence et l’amplitude respiratoires peuvent être modifiées par la volonté. En règle générale, la respiration s’adapte automatiquement aux besoins de l’organisme en fonction des variations de pression partielle en 02 et C02 dans le sang. Une diminution du contenu en oxygène et/ou une augmentation du contenu en dioxyde de carbone entraînent une hyperventilation. De même, une diminution du pH sanguin (augmentation de l’acidité du sang) entraine l’hyperventilation. Chez le sujet sain la ventilation est adaptée aux conditions de l’exercice et ne limite pas la capacité à l’effort. Les dimensions de la cage thoracique et les volumes pulmonaires ne déterminent pas la capacité à l’effort des individus, ce système n’est pas un facteur limitant de la performance.
En revanche, chez les sujets malades (affection respiratoire, asthme, BPCO) les capacités à ventiler l’air et à diffuser les gaz au niveau alvéolaire peuvent être altérées et entrainer une diminution du contenu en oxygène et une augmentation du contenu en dioxyde de carbone dans le sang. Ceci peut limiter la capacité à l’effort et voir même mettre l’individu en danger. Les signes d’une sous oxygénation sont une respiration rapide et peu ample, une couleur cyanosée (bleue ou blanche) de la peau et des muqueuses, des difficultés pour s’exprimer, une fatigue très marquée.