Karamö, le prof virtuelLeçon 19 sur 29
Les fonctions de la respiration
Je sais expliquer pourquoi l'organisme respire, montrer par l'expérience les échanges gazeux respiratoires, et relier la respiration de l'organisme à la production d'énergie dans les cellules.
- 50 min
- 6 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Mettre en évidence par l'expérience la consommation de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone
- Comparer la composition de l'air inspiré et de l'air expiré et en tirer des calculs simples
- Écrire le bilan de la respiration cellulaire et expliquer son rôle
- Reconnaître les organes respiratoires de différents êtres vivants
Avant de commencer : La cellule, les nutriments et leur devenir (le glucose, carburant des cellules).
1Je découvre
Lansana est pêcheur sur le fleuve Niger, près de Siguiri. Un matin, il remarque que les poissons restés trop longtemps dans une bassine d'eau fermée viennent tous respirer à la surface. Le soir, au village, son neveu Alpha lui raconte une histoire entendue à la radio : une famille a été intoxiquée en dormant dans une pièce fermée avec un fourneau à charbon allumé.
Alpha réfléchit : « On respire tous, les poissons, les hommes, et même les plantes, paraît-il. Mais à quoi sert vraiment de respirer ? Si on arrête de respirer quelques minutes, on meurt. Pourtant, on peut rester des jours sans manger. »
Il se souvient que le glucose absorbé dans l'intestin sert à produire de l'énergie dans les cellules. Mais quel est le lien entre cette énergie et l'air qui entre dans nos poumons ?
Qu'est-ce que la respiration, que prélève-t-elle et que rejette-t-elle, et à quoi sert-elle pour l'organisme ?
2Je comprends
1. Respirer, c'est échanger des gaz avec le milieu
Chez tous les êtres vivants, la respiration se traduit par des échanges gazeux avec le milieu extérieur :
- une absorption de dioxygène (O2) ;
- un rejet de dioxyde de carbone (CO2) ;
- et un rejet de vapeur d'eau.
Mise en évidence du rejet de CO2. L'eau de chaux est un réactif qui se trouble (devient laiteuse) en présence de dioxyde de carbone.
- On souffle avec une paille dans un tube d'eau de chaux : elle se trouble rapidement.
- On fait passer de l'air ambiant dans un autre tube d'eau de chaux : elle se trouble très lentement.
Conclusion : l'air expiré contient beaucoup plus de CO2 que l'air inspiré.
Mise en évidence de la consommation d'O2. On place un petit animal, ou des graines en germination, dans un bocal fermé. Au bout d'un moment, une bougie allumée introduite dans le bocal s'éteint aussitôt, alors qu'elle brûle normalement dans un bocal témoin sans être vivant : l'air du premier bocal a perdu une partie de son dioxygène. Un appareil appelé oxymètre permet de mesurer précisément la baisse du taux d'O2.
Mise en évidence de la vapeur d'eau. Quand on souffle sur un miroir froid, il se couvre de buée.
2. Comparer l'air inspiré et l'air expiré
| Gaz | Air inspiré | Air expiré |
|---|---|---|
| Dioxygène (O2) | 21 % | environ 16 % |
| Dioxyde de carbone (CO2) | environ 0,04 % | environ 4 % |
| Diazote (N2) | environ 78 % | environ 78 % |
| Vapeur d'eau | variable | air saturé |
On remarque que :
- l'air expiré contient moins de dioxygène : l'organisme en a retenu ;
- il contient environ 100 fois plus de CO2 : l'organisme en a produit et rejeté ;
- le diazote n'est ni consommé ni produit par l'organisme.
Exemple
Au repos, Alpha fait entrer et sortir environ 8 L d'air par minute dans ses poumons. Quel volume de dioxygène retient-il en une minute ? en une heure ?
Dioxygène entrant : 8 × 21 ÷ 100 = 1,68 L.
Dioxygène sortant : 8 × 16 ÷ 100 = 1,28 L.
Dioxygène retenu en 1 min : 1,68 − 1,28 = 0,40 L (on peut aussi calculer 8 × 5 ÷ 100 = 0,40 L).
En 1 heure : 0,40 × 60 = 24 L de dioxygène.
Pendant un effort, le volume d'air ventilé augmente fortement, et la consommation de dioxygène aussi.
3. Où le dioxygène est-il utilisé ? La respiration cellulaire
Le dioxygène ne reste pas dans les poumons : il passe dans le sang, qui le transporte jusqu'à toutes les cellules du corps. C'est dans les cellules qu'il est consommé.
Dans chaque cellule, des petits organites, les mitochondries, réalisent la respiration cellulaire : elles oxydent les nutriments (surtout le glucose) grâce au dioxygène. Cette réaction libère de l'énergie et produit du dioxyde de carbone et de l'eau.
Bilan de la respiration cellulaire (à partir du glucose)
C6H12O6 + 6 O2 longrightarrow 6 CO2 + 6 H2O + énergie
Cette énergie sert à toutes les activités de la cellule et de l'organisme : contraction des muscles, battements du cœur, fonctionnement du cerveau, fabrication de nouvelles molécules, maintien de la température du corps (environ 37 °C).
Le CO2 produit dans les cellules est un déchet : le sang le ramène aux poumons, qui le rejettent dans l'air expiré.
On comprend maintenant la question d'Alpha : l'organisme a des réserves de nutriments (glycogène, graisses) pour plusieurs jours, mais il n'a presque pas de réserve de dioxygène. Sans respiration, les cellules, surtout celles du cerveau, sont privées d'énergie en quelques minutes.
- 1Poumons : l'air inspiré apporte le dioxygène.
- 2Sang : le dioxygène est transporté jusqu'aux organes.
- 3Cellules : les mitochondries oxydent le glucose grâce au dioxygène.
- 4Énergie : elle est utilisée par la cellule (mouvement, chaleur, fabrication).
- 5Déchets : le dioxyde de carbone repart dans le sang vers les poumons, qui l'expirent.
4. Deux niveaux de la respiration
| Niveau | Où ? | Ce qui se passe |
|---|---|---|
| Respiration de l'organisme (échanges respiratoires) | Poumons (ou branchies, trachées, peau) | Prélèvement d'O2 dans le milieu, rejet de CO2 |
| Respiration cellulaire | Mitochondries de toutes les cellules | Oxydation des nutriments, libération d'énergie |
La première est au service de la seconde : elle approvisionne les cellules en dioxygène et les débarrasse du dioxyde de carbone.
5. Le quotient respiratoire
Le quotient respiratoire (QR) est le rapport entre le volume de CO2 rejeté et le volume d'O2 consommé pendant le même temps :
QR = VCO2VO2
Il renseigne sur le type de nutriment oxydé : QR = 1 pour les glucides (l'équation ci-dessus donne 6 CO2 pour 6 O2), environ 0,7 pour les lipides, environ 0,8 pour les protides.
Méthode
Pour calculer et interpréter un quotient respiratoire :
- Je relève le volume de CO₂ rejeté et le volume d'O₂ consommé pendant la même durée (même unité).
- Je calcule QR = V(CO₂) ÷ V(O₂).
- Je compare aux valeurs de référence : 1 (glucides), environ 0,8 (protides), environ 0,7 (lipides).
- Je conclus sur le nutriment principalement utilisé.
Exemple
Données d'exercice : en 10 minutes, un sportif consomme 3,0 L de dioxygène et rejette 2,1 L de dioxyde de carbone.
QR = 2,1 ÷ 3,0 = 0,7.
Ce quotient correspond aux lipides : pendant cet effort long, ses cellules oxydent surtout des graisses.
6. Tous les êtres vivants respirent
Les organes qui réalisent les échanges gazeux changent selon le milieu de vie, mais ils ont tous une surface fine, humide et étendue.
| Être vivant | Milieu | Organe respiratoire |
|---|---|---|
| Homme, chèvre, oiseau, lézard | Aérien | Poumons |
| Poisson (tilapia, capitaine) | Aquatique | Branchies : elles prélèvent le dioxygène dissous dans l'eau |
| Criquet, abeille, termite | Aérien | Trachées : tubes qui amènent l'air directement aux cellules |
| Ver de terre | Sol humide | Peau |
| Grenouille | Aérien et aquatique | Poumons et peau |
| Plantes (feuilles, racines, graines) | Aérien et sol | Toutes les cellules, échanges par les stomates et la surface |
Les poissons de Lansana montaient à la surface parce que l'eau de la bassine fermée ne contenait plus assez de dioxygène dissous.
3Je retiens
Je retiens
Respirer, c'est absorber du dioxygène et rejeter du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.
L'eau de chaux se trouble en présence de CO₂ : l'air expiré en contient environ 4 %, contre 0,04 % dans l'air inspiré.
L'air expiré contient environ 16 % de dioxygène, contre 21 % dans l'air inspiré ; le diazote n'est pas utilisé.
Respiration cellulaire (mitochondries) : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie.
La respiration de l'organisme (poumons) est au service de la respiration cellulaire.
Quotient respiratoire : QR = V(CO₂) ÷ V(O₂) ; 1 pour les glucides, environ 0,7 pour les lipides.
Organes respiratoires : poumons, branchies, trachées, peau.
4Erreurs fréquentes
- Croire que la respiration se fait seulement dans les poumons : les poumons échangent les gaz, mais le dioxygène est consommé dans toutes les cellules.
- Dire que l'air expiré ne contient plus de dioxygène : il en contient encore environ 16 % (c'est ce qui rend possible le bouche-à-bouche).
- Penser que les plantes ne respirent pas : elles respirent jour et nuit, comme les animaux.
- Confondre respiration et ventilation : la ventilation est seulement le renouvellement de l'air dans les poumons.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Définis : respiration cellulaire ; eau de chaux ; mitochondrie.
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- Respiration cellulaire : oxydation des nutriments (surtout le glucose) par le dioxygène dans les mitochondries des cellules, qui libère de l'énergie et produit du dioxyde de carbone et de l'eau.
- Eau de chaux : réactif qui se trouble en présence de dioxyde de carbone.
- Mitochondrie : organite de la cellule où se déroule la respiration cellulaire.
2Exercice 2
Décris une expérience simple qui montre que l'air expiré est plus riche en dioxyde de carbone que l'air inspiré. Précise le réactif, le témoin et le résultat.
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On prépare deux tubes contenant la même quantité d'eau de chaux limpide. Dans le tube 1, on souffle de l'air expiré avec une paille. Dans le tube 2 (témoin), on fait passer de l'air ambiant (avec une poire en caoutchouc, par exemple) pendant le même temps. Résultat : l'eau de chaux du tube 1 se trouble rapidement, celle du tube 2 reste presque limpide. Conclusion : l'air expiré est beaucoup plus riche en CO2 que l'air inspiré.
3Exercice 3
Un élève ventile 6 L d'air par minute au repos. En utilisant les pourcentages du cours, calcule le volume de dioxygène retenu par son organisme en 1 minute, puis en 30 minutes.
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Dioxygène retenu = 6 × (21 − 16) ÷ 100 = 6 × 5 ÷ 100 = 0,30 L par minute.
En 30 minutes : 0,30 × 30 = 9 L de dioxygène.
4Exercice 4
Recopie et complète l'équation de la respiration cellulaire, puis indique à quoi sert l'énergie libérée (trois exemples) :
C6H12O6 + … O2 longrightarrow … CO2 + … H2O + …
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C6H12O6 + 6 O2 longrightarrow 6 CO2 + 6 H2O + énergie.
L'énergie sert, par exemple, à la contraction des muscles, aux battements du cœur, au maintien de la température du corps, au fonctionnement du cerveau, à la fabrication de nouvelles molécules.
5Exercice 5
(Type BEPC) On place des graines de maïs en germination dans un bocal A fermé, et des graines de maïs bouillies dans un bocal B fermé. Après 24 heures :
- bocal A : l'eau de chaux se trouble, une bougie introduite s'éteint aussitôt ;
- bocal B : l'eau de chaux reste claire, la bougie brûle normalement.
a) Quel est le rôle du bocal B ?
b) Interprète les résultats du bocal A.
c) Quelle conclusion générale peux-tu tirer ?
d) Pourquoi a-t-on utilisé des graines bouillies dans le bocal B ?
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a) Le bocal B est le témoin : il contient des graines mortes (bouillies), qui ne respirent pas.
b) Dans le bocal A, l'eau de chaux troublée montre un rejet de CO2 ; la bougie qui s'éteint montre que l'air a perdu une grande partie de son dioxygène. Les graines en germination ont donc consommé du dioxygène et rejeté du dioxyde de carbone : elles respirent.
c) Les graines vivantes respirent : la respiration est une propriété des êtres vivants, y compris des végétaux.
d) L'ébullition tue les cellules des graines. On montre ainsi que les échanges gazeux observés en A sont dus à l'activité des cellules vivantes, et non à autre chose.
6Exercice 6
En 5 minutes, un homme à jeun depuis longtemps consomme 1,5 L de dioxygène et rejette 1,05 L de dioxyde de carbone. Calcule son quotient respiratoire et interprète-le.
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QR = 1,05 ÷ 1,5 = 0,7. Ce quotient correspond à l'oxydation des lipides : à jeun depuis longtemps, ses réserves de glycogène sont presque épuisées et ses cellules utilisent surtout les graisses de réserve.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
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