Circulation et Respiration
Comment les animaux acquièrent l'oxygène et éliminent le dioxyde de carbone, et comment les pompes et les vaisseaux distribuent ces substances et d'autres à travers le corps pour répondre aux besoins métaboliques.
Definition
La respiration, dans ce sens physiologique, est l'échange d'oxygène et de dioxyde de carbone entre un animal et son environnement, ainsi que leur transport vers et depuis les tissus ; la circulation est le mouvement de masse du sang ou de l'hémolymphe par un système de pompe et de vaisseaux qui distribue les gaz, les nutriments, les déchets, les hormones et la chaleur dans tout le corps.
Scope
Ce domaine couvre la physiologie comparative des échanges gazeux et du transport interne : les surfaces respiratoires telles que les branchies, les poumons et les trachées ; la liaison et le transport de l'oxygène par les pigments respiratoires ; la structure et la fonction des cœurs et des systèmes circulatoires ; et la régulation de la respiration et des gaz sanguins, y compris l'équilibre acido-basique. Il englobe les principes physiques de la diffusion et de la convection ainsi que la diversité des solutions que les animaux ont développées à travers les milieux aquatiques, aériens et terrestres. La couverture est comparative et mécanistique plutôt que clinique.
Sub-topics
Core questions
- Comment les surfaces respiratoires maximisent-elles les échanges gazeux à travers différents milieux tels que l'eau et l'air ?
- Comment les pigments respiratoires chargent-ils l'oxygène là où il est abondant et le libèrent-ils là où il est nécessaire ?
- Comment les systèmes circulatoires et les cœurs sont-ils organisés pour déplacer efficacement le sang chez des animaux de tailles et de modes de vie différents ?
- Comment les animaux détectent-ils et régulent-ils leurs gaz sanguins et maintiennent-ils l'équilibre acido-basique ?
Key theories
- La liaison coopérative de l'oxygène et la courbe de dissociation sigmoïde
- Les pigments respiratoires tels que l'hémoglobine lient l'oxygène de manière coopérative, produisant une courbe de dissociation sigmoïde qui favorise un chargement efficace à la surface respiratoire et un déchargement dans les tissus actifs, la position de la courbe étant modifiée par le dioxyde de carbone, le pH et la température.
- Conception convection-diffusion du transport des gaz
- Un échange gazeux efficace combine l'apport convectif du milieu et du sang vers et depuis une surface respiratoire mince avec la diffusion à travers celle-ci, et des arrangements tels que le flux à contre-courant dans les branchies maximisent les gradients qui entraînent la diffusion.
Mechanisms
Les échanges gazeux dépendent de la diffusion à travers des surfaces respiratoires minces et de grande surface, maintenues alimentées par la ventilation du milieu externe et la perfusion sanguine. Les branchies utilisent un flux à contre-courant d'eau et de sang pour maintenir des gradients de diffusion élevés ; les poumons utilisent un flux tidal ou, chez les oiseaux, unidirectionnel ; les insectes délivrent l'oxygène directement aux tissus par les trachées. L'oxygène est principalement transporté lié à des pigments respiratoires dont la liaison coopérative et la sensibilité au CO2, au pH et à la température régulent le chargement et le déchargement. Les cœurs génèrent une pression pour propulser le sang à travers des systèmes circulatoires ouverts ou fermés, et la résistance et la capacitance vasculaires distribuent le flux. La respiration et la circulation sont régulées par des chimiorécepteurs qui surveillent l'O2, le CO2 et le pH, ajustant la ventilation et le débit cardiaque, tandis que la régulation tampon et l'échange d'ions maintiennent l'équilibre acido-basique.
Clinical relevance
Les travaux comparatifs sur les mammifères plongeurs, les espèces d'altitude et les poissons à respiration aérienne éclairent les limites de la performance cardiorespiratoire humaine et informent la recherche sur l'hypoxie, l'exercice et la fonction respiratoire et cardiovasculaire. Cette entrée est éducative et ne fournit pas de conseils médicaux.
History
Les études d'August Krogh sur la fonction capillaire et les échanges gazeux, ainsi que la découverte par Christian Bohr de l'effet du dioxyde de carbone sur la liaison de l'oxygène, ont jeté les bases de la physiologie respiratoire. Schmidt-Nielsen et d'autres ont étendu le domaine aux adaptations remarquables des animaux du désert, plongeurs et de haute altitude, en présentant la circulation et la respiration comme des problèmes de conception sous contraintes physiques.
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- Pourquoi le flux à contre-courant est-il important dans les branchies des poissons ?
- Le fait que l'eau et le sang circulent dans des directions opposées maintient un gradient d'oxygène le long de toute la surface branchiale, permettant ainsi au sang d'absorber beaucoup plus d'oxygène que si les deux fluides s'écoulaient dans le même sens.
- Qu'est-ce qui rend la courbe de dissociation de l'oxygène en forme de S ?
- L'hémoglobine lie l'oxygène de manière coopérative, de sorte que la liaison d'une molécule d'oxygène facilite la liaison des suivantes ; cela produit une courbe sigmoïde qui favorise un chargement complet au niveau des poumons ou des branchies et un déchargement rapide dans les tissus actifs.