Ressources · 5ᵉ · SVT
Respiration : échanges gazeux et occupation des milieux
Respirer, c’est échanger des gaz avec son milieu : la mise en évidence (capteur de dioxygène, eau de chaux, témoin) ; les surfaces d’échange, la diffusion, la ventilation, et pourquoi respirer dans l’eau est plus difficile que dans l’air ; les poumons, les branchies, les trachées et la peau ; la respiration des végétaux, jour et nuit ; le dioxygène disponible et la répartition des êtres vivants dans les milieux.
À propos de cette page
Respirer : des échanges gazeux chez tous les êtres vivants
En 6e, tu as vu que la trachée et les poumons forment l’appareil respiratoire de l’être humain, que la grenouille enfouie dans la vase en hiver respire à travers sa peau, et que l’eau de chaux se trouble au contact du dioxyde de carbone. On repart de là, pour tous les êtres vivants.
Presque tous les êtres vivants respirent : animaux, végétaux, champignons, beaucoup de micro-organismes, le jour comme la nuit, qu’ils vivent dans l’air, dans l’eau ou dans le sol.
Pour le montrer, on enferme l’être vivant dans une enceinte : un capteur de dioxygène (un oxymètre) mesure la baisse du dioxygène, et l’eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone. Une enceinte témoin, identique mais sans être vivant, montre que ces changements viennent bien de l’être vivant.
| Mesure | Si l’être vivant respire | Dans l’enceinte témoin |
|---|---|---|
| Capteur de dioxygène | le pourcentage de dioxygène baisse | il ne change pas |
| Eau de chaux | elle se trouble (devient laiteuse) | elle reste limpide |
| Bleu de bromothymol (dans l’eau) | il passe du bleu au jaune | il reste bleu |
Le bleu de bromothymol sert dans l’eau, pour les êtres vivants aquatiques : le dioxyde de carbone rejeté rend l’eau plus acide, et le réactif vire du bleu au vert, puis au jaune.
À quoi sert le dioxygène ? Il est utilisé par les cellules, qui en ont besoin pour tirer de l’énergie des nutriments, comme les sucres ; le dioxyde de carbone est un déchet qu’elles rejettent (voir le chapitre « Nutrition des organes : besoins des cellules et transport par le sang »). C’est pourquoi un être vivant consomme plus de dioxygène quand il est plus actif.
Des escargots sont placés une heure dans un bocal fermé muni d’un capteur : le dioxygène passe de 20,9 % à 20,4 %, soit une baisse de 20,9 − 20,4 = 0,5 point. Dans le bocal témoin, sans escargots, il reste à 20,9 % : la baisse est due aux escargots, qui respirent.
Des champignons de Paris achetés la veille sont enfermés dans une boîte avec une coupelle d’eau de chaux : le lendemain, elle est trouble. Encore vivants, les champignons ont rejeté du dioxyde de carbone : ils respirent.
Un chien qui court consomme beaucoup plus de dioxygène que lorsqu’il dort : ses muscles travaillent et leurs cellules respirent davantage.
Réflexe — pour prouver qu’un être vivant respire, je compare son enceinte à une enceinte témoin sans être vivant : le dioxygène baisse et l’eau de chaux se trouble seulement là où se trouve l’être vivant.
Attention — « tous les êtres vivants respirent » est presque vrai, mais pas tout à fait : certaines bactéries et les levures peuvent vivre sans dioxygène, grâce à une autre transformation, la fermentation. C’est elle qui fait lever la pâte à pain, comme tu l’as vu en 6e.
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Surfaces d’échange : respirer dans l’air ou dans l’eau
Pour entrer dans le corps, le dioxygène doit traverser une paroi. Où se trouve-t-elle, et pourquoi est-il plus difficile de respirer dans l’eau que dans l’air ?
Le dioxygène la traverse par diffusion : sans dépense d’énergie, il passe du côté où il est le plus abondant vers le côté où il l’est le moins ; le dioxyde de carbone fait le chemin inverse.
La ventilation renouvelle l’air ou l’eau au contact de la surface d’échange : mouvements de la cage thoracique chez un mammifère, de la bouche et des opercules chez un poisson, de l’abdomen chez un insecte.
| Respirer dans l’air | Respirer dans l’eau douce | |
|---|---|---|
| Dioxygène dans 1 litre | environ 280 mg à 20 °C (21 % du volume de l’air) | au plus 9 mg environ à 20 °C, dissous dans l’eau |
| Faire circuler le milieu | facile : l’air est léger | coûteux : l’eau est environ 800 fois plus dense que l’air |
| Danger pour la surface d’échange | le dessèchement : elle est presque toujours à l’intérieur du corps (poumons, trachées) | pas de dessèchement : elle peut être à l’extérieur, baignée par l’eau (branchies) |
Il y a donc 280 ÷ 9 ≈ 31, soit environ 30 fois moins de dioxygène dans un litre d’eau que dans un litre d’air. Un animal aquatique doit faire passer de grandes quantités d’eau sur ses branchies.
Un poisson ventile ses branchies : il ouvre la bouche en gardant ses opercules fermés, puis ferme la bouche et ouvre ses opercules. L’eau entre par la bouche, passe sur les branchies et ressort derrière la tête, toujours dans le même sens.
Sorti de l’eau, un poisson s’asphyxie alors que l’air est bien plus riche en dioxygène : ses lamelles branchiales, qui ne sont plus soutenues par l’eau, se collent les unes aux autres. La surface d’échange devient trop petite.
Les poumons d’un être humain sont creusés de centaines de millions de minuscules sacs, les alvéoles : mise à plat, leur paroi couvrirait plusieurs dizaines de mètres carrés, dans une poitrine de quelques litres.
Réflexe — pour juger une surface d’échange, je vérifie quatre caractères : fine, humide, étendue, riche en vaisseaux sanguins.
Attention — un poisson respire le dioxygène dissous dans l’eau (O₂), qui vient de l’air et de la photosynthèse des algues. Il ne prend pas l’oxygène des molécules d’eau (H₂O), qui restent intactes.
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Les organes respiratoires des animaux
Un poumon, une branchie, une trachée, une peau humide : les animaux ont des surfaces d’échange très différentes. On en distingue quatre grands types.
L’organe respiratoire dépend du groupe auquel appartient l’animal (mammifère, poisson, insecte…) et de son stade de vie (larve ou adulte), pas seulement du milieu où il vit.
| Organe | Milieu | Exemples |
|---|---|---|
| Poumons | air | mammifères (même le dauphin et la baleine), oiseaux, reptiles (même la tortue marine), amphibiens adultes |
| Branchies | eau | poissons, têtards, crustacés (crabe, crevette), moules, larves de libellule |
| Trachées | surtout air | insectes, mille-pattes |
| Peau | sol humide, eau | ver de terre ; une partie des échanges chez la grenouille |
Chez la plupart des insectes, l’air arrive par les trachées jusqu’au contact des cellules : leur sang ne transporte presque pas de dioxygène. Chez les autres animaux du tableau, le sang se charge en dioxygène dans l’organe respiratoire, puis le distribue à tout le corps.
Un organe qui change au cours de la vie. Le têtard respire avec des branchies ; après sa métamorphose, la grenouille respire avec des poumons et par sa peau. La larve de libellule, qui vit dans l’eau, a des branchies ; la libellule adulte, qui vole, respire avec des trachées.
Dans l’eau avec de l’air. Le dauphin respire de l’air avec ses poumons : il remonte à la surface et respire par son évent, au sommet de la tête. L’argyronète, une araignée d’Europe, vit sous l’eau dans une cloche de soie qu’elle remplit d’air rapporté de la surface, accroché aux poils de son corps.
Le phoque chasse sous l’eau pendant de longues minutes ; c’est pourtant un mammifère : il a des poumons et doit remonter respirer à la surface.
Le homard vit au fond de la mer : c’est un crustacé, il respire avec des branchies cachées sous sa carapace.
Un scarabée n’a ni poumons ni branchies : comme tous les insectes, il respire avec des trachées, qui s’ouvrent par des stigmates sur les côtés de son corps.
Réflexe — pour trouver l’organe respiratoire d’un animal, je cherche d’abord son groupe (mammifère, oiseau, reptile, amphibien, poisson, crustacé, insecte…), puis son stade de vie (larve ou adulte).
Attention — ne confonds pas les stigmates d’un insecte (les orifices de ses trachées) avec le stigmate d’une fleur (le sommet du pistil, vu en 6e), ni avec les stomates des feuilles.
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La respiration des végétaux
Une plante n’a ni poumons ni branchies. Pourtant, comme tous les êtres vivants, elle respire.
À la lumière, les parties vertes font aussi la photosynthèse, qui absorbe du dioxyde de carbone et rejette du dioxygène : sous une lumière forte, elle l’emporte sur la respiration et la masque. À l’obscurité, il ne reste que la respiration.
| Respiration | Photosynthèse | |
|---|---|---|
| Qui ? | animaux, végétaux, champignons, beaucoup de micro-organismes | végétaux chlorophylliens, algues, certaines bactéries |
| Quand ? | jour et nuit | à la lumière seulement |
| Gaz absorbé | dioxygène | dioxyde de carbone |
| Gaz rejeté | dioxyde de carbone | dioxygène |
| Rôle | libérer l’énergie des sucres | fabriquer des sucres |
La photosynthèse, les expériences de Priestley et d’Ingenhousz et le moment où les deux phénomènes se compensent sont étudiés dans le chapitre « Nutrition des végétaux : la photosynthèse ».
Des racines qui ont besoin d’air. Dans un sol gorgé d’eau, l’air est chassé des petits espaces du sol : les racines manquent de dioxygène, s’asphyxient et pourrissent. Dans les mangroves, les palétuviers poussent dans une vase très pauvre en dioxygène : certains dressent hors de la vase des racines couvertes de lenticelles, qui échangent les gaz avec l’air à marée basse.
Des graines de radis en train de germer, enfermées dans un bocal, font baisser le dioxygène et troubler l’eau de chaux. Des graines sèches du même sachet ne changent presque rien : leur vie est très ralentie.
Des fraises cueillies continuent de respirer : elles consomment leurs sucres et s’abîment peu à peu. Au réfrigérateur, leur respiration ralentit : elles se conservent plus longtemps.
Un pot de ciboulette dont la soucoupe reste toujours pleine d’eau jaunit et dépérit : ses racines, noyées, manquent de dioxygène.
Réflexe — pour prévoir les échanges gazeux d’une partie de plante, je me demande : est-elle verte, et fortement éclairée ? Si oui, la photosynthèse l’emporte : dioxygène rejeté. Sinon, il n’y a que la respiration : dioxygène absorbé, dioxyde de carbone rejeté.
Attention — ne dis pas « les plantes respirent la nuit et font la photosynthèse le jour » : elles respirent jour et nuit. Et les parties qui ne sont pas vertes, comme les racines ou les graines, ne font que respirer, même en plein soleil.
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Dioxygène et occupation des milieux
Pourquoi trouve-t-on des truites dans un torrent de montagne et des carpes dans un étang de plaine ? En grande partie à cause du dioxygène.
Dans l’air, le dioxygène ne manque presque jamais (21 %). Dans l’eau, sa quantité varie beaucoup :
– elle est plus grande dans une eau froide : l’eau froide dissout plus de gaz que l’eau chaude ;
– elle est plus grande dans une eau agitée (courant, vagues, cascades), qui se recharge au contact de l’air ;
– elle augmente le jour, grâce à la photosynthèse des algues et des plantes aquatiques, et baisse la nuit, quand tous les êtres vivants ne font que respirer ;
– elle chute quand des matières organiques (feuilles mortes, excréments, eaux usées) sont décomposées par des bactéries, qui respirent et consomment le dioxygène.
| Espèce | Besoin minimal en dioxygène (valeur indicative) | Où on la trouve |
|---|---|---|
| Truite | environ 7 mg/L | torrents et rivières froides, rapides |
| Carpe | environ 3 mg/L | étangs et rivières calmes, plus chauds |
| Ver de vase (larve de chironome) | moins de 1 mg/L | vase des eaux calmes ou polluées |
La courbe donne le maximum qu’une eau dissout au contact de l’air, au niveau de la mer : en montagne, l’eau en dissout un peu moins. Un après-midi de soleil, la photosynthèse des algues d’un étang peut pourtant le dépasser pendant quelques heures. Les seuils sont des ordres de grandeur : ils varient selon la température et selon les études. Le ver de vase, larve d’un petit insecte, doit sa couleur rouge à l’hémoglobine, qui capte le dioxygène même quand il est très rare.
Lire la qualité d’une eau. Des truites et des larves d’insectes variées signalent une eau bien oxygénée ; des vers de vase en masse, sans poissons, signalent une eau pauvre en dioxygène, souvent polluée par des matières organiques.
Une rivière rapide à 10 °C, qui bouillonne entre les rochers, reste proche de son maximum, 11,3 mg de dioxygène par litre : bien plus que les 7 mg/L dont la truite a besoin.
À 25 °C, l’eau d’un étang en été n’en dissout au contact de l’air que 8,3 mg/L. À la fin d’une nuit chaude, sa teneur peut descendre sous 3 mg/L : on voit alors des carpes venir à la surface, bouche ouverte.
En automne, les feuilles mortes tombées dans une petite mare sont décomposées par des bactéries : le dioxygène de l’eau baisse.
Réflexe — pour expliquer où vit une espèce aquatique, je compare son besoin en dioxygène à la teneur de l’eau, puis j’explique cette teneur : température, agitation, jour ou nuit, matières organiques.
Attention — une eau limpide n’est pas forcément bien oxygénée. Et dans une eau chargée de matières organiques, les poissons meurent le plus souvent asphyxiés : ce sont les bactéries décomposeuses qui ont consommé le dioxygène.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs ou se verront plus tard.
- Ce que deviennent le dioxygène et le dioxyde de carbone dans le corps : la respiration des cellules, les échanges aux poumons et aux muscles, le rôle du sang et l’effort physique sont étudiés dans le chapitre « Nutrition des organes : besoins des cellules et transport par le sang ».
- La photosynthèse, son bilan et le moment de la journée où elle compense la respiration : chapitre « Nutrition des végétaux : la photosynthèse ».
- Les décomposeurs, qui consomment le dioxygène en recyclant les matières organiques : chapitre « Écosystèmes : relations alimentaires et équilibres » ; les engrais qui font proliférer les algues et asphyxient les étangs : chapitre « Activités humaines et biodiversité : l’écosystème local ».
- Rappel de 6e : les groupes d’animaux (mammifères, poissons, insectes…) sont présentés dans le chapitre « Classification du vivant : groupes emboîtés et arbres de parenté » ; l’appareil respiratoire et les cellules, dans le chapitre « Organisation du vivant : la cellule ».
- Se verra en 4e : pourquoi des animaux d’un même groupe gardent le même type d’organe respiratoire, quel que soit leur milieu (parenté et évolution).
- Respirer, c’est absorber du dioxygène et rejeter du dioxyde de carbone. Presque tous les êtres vivants respirent, jour et nuit ; on le prouve avec un capteur de dioxygène et l’eau de chaux, en comparant avec une enceinte témoin.
- Les gaz traversent par diffusion une surface d’échange fine, humide, étendue et riche en vaisseaux sanguins ; la ventilation la renouvelle. Un litre d’eau contient environ 30 fois moins de dioxygène qu’un litre d’air.
- Poumons, branchies, trachées (qui s’ouvrent par des stigmates) ou peau : l’organe respiratoire dépend du groupe de l’animal et de son stade de vie, pas seulement du milieu.
- Les végétaux respirent jour et nuit par toutes leurs parties (stomates, lenticelles, racines) ; à la lumière, la photosynthèse des parties vertes masque leur respiration.
- Le dioxygène dissous baisse quand l’eau est chaude, calme, la nuit, ou chargée de matières organiques : il décide des espèces qui peuvent vivre dans un milieu aquatique.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que respirer ?
Respirer, c’est absorber du dioxygène et rejeter du dioxyde de carbone : ce sont des échanges gazeux avec le milieu de vie, l’air ou l’eau. Presque tous les êtres vivants respirent, jour et nuit. On le montre avec un capteur de dioxygène, qui mesure une baisse, et avec l’eau de chaux, qui se trouble, en comparant avec une enceinte témoin sans être vivant.
Pourquoi est-il plus difficile de respirer dans l’eau que dans l’air ?
Un litre d’eau contient environ 30 fois moins de dioxygène qu’un litre d’air, et l’eau est environ 800 fois plus dense : un animal aquatique doit faire passer beaucoup d’eau sur ses branchies, ce qui coûte de l’énergie. Les gaz traversent par diffusion une surface d’échange fine, humide, étendue et riche en vaisseaux sanguins.
Quels sont les organes respiratoires des animaux ?
Les poumons (mammifères, oiseaux, reptiles, amphibiens adultes), les branchies (poissons, têtards, crustacés, moules), les trachées qui s’ouvrent par des stigmates (insectes, mille-pattes) et la peau (ver de terre). L’organe dépend du groupe de l’animal et de son stade de vie, pas seulement du milieu : le dauphin vit dans l’eau mais respire avec des poumons.
Les plantes respirent-elles ?
Oui, jour et nuit, par toutes leurs parties vivantes : les gaz passent par les stomates des feuilles, les lenticelles de l’écorce et la surface des racines. À la lumière, la photosynthèse des parties vertes rejette plus de dioxygène que la respiration n’en consomme : elle masque la respiration, qui devient visible à l’obscurité.
Pourquoi trouve-t-on des truites dans les torrents et pas dans les étangs ?
La truite a besoin d’une eau riche en dioxygène, environ 7 mg par litre. Une eau froide et agitée en contient beaucoup ; une eau chaude, calme, chargée de matières organiques ou en fin de nuit en contient peu. La carpe, qui se contente d’environ 3 mg/L, vit dans les étangs : le dioxygène disponible décide des espèces qui peuplent un milieu.
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