Respirer dans l'air ou dans l'eau : les surfaces d'échanges chez les animaux

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Respirer pour fournir du dioxygène aux cellules

Toutes les cellules d'un animal utilisent du dioxygène (O₂) pour exploiter la matière organique des aliments et disposer d'énergie. Ce fonctionnement libère du dioxyde de carbone (CO₂). Respirer, c'est donc prélever du dioxygène dans le milieu de vie et y rejeter du dioxyde de carbone. Ces échanges gazeux se font au niveau d'une surface d'échange, puis les gaz sont distribués jusqu'aux cellules, le plus souvent par le sang.

Deux milieux, deux contraintes

L'air contient environ 21 % de dioxygène, soit de l'ordre de 280 mg par litre à 20 °C. Dans l'eau, le dioxygène n'existe que sous forme dissoute : au maximum environ 9 mg par litre à 20 °C, soit une trentaine de fois moins que dans l'air. Cette quantité diminue quand l'eau se réchauffe ou quand elle reste immobile. L'eau est aussi beaucoup plus lourde à déplacer que l'air. Un animal aquatique doit donc faire circuler beaucoup d'eau pour prélever peu de dioxygène.

Les caractéristiques d'une surface d'échange efficace

• Étendue : replis, lamelles ou alvéoles multiplient la surface de contact avec le milieu.
• Fine : la paroi est très mince et les gaz la traversent par diffusion, des zones où ils sont les plus concentrés vers celles où ils le sont le moins.
• Humide : les gaz traversent la paroi dissous dans un film d'eau.
• Irriguée : de nombreux vaisseaux sanguins emportent le dioxygène et apportent le dioxyde de carbone.
• Ventilée : le milieu est renouvelé au contact de la surface, par les mouvements de la bouche et des opercules chez un poisson, de la cage thoracique chez un mammifère.

Des organes variés

• Branchies (poissons) : filaments et lamelles très fins. L'eau entre par la bouche et ressort par les ouïes, sous les opercules, pendant que le sang circule dans les lamelles.
• Poumons (mammifères, oiseaux, reptiles, amphibiens adultes) : l'air passe par la trachée et les bronches jusqu'aux zones d'échange du poumon. Ces zones sont des alvéoles chez les mammifères, des parabronches chez les oiseaux, et des structures plus simples chez de nombreux reptiles et amphibiens. Chez l'humain adulte, la surface alvéolaire est de l'ordre de 70 m².
• Trachées (insectes) : tubes ramifiés qui conduisent l'air au plus près des organes. Le sang n'est pas le principal transporteur des gaz.
• Peau (ver de terre, en partie les amphibiens) : paroi fine, humide et irriguée. L'animal ne doit pas se dessécher.

Exemple analysé : comparer des surfaces

Un animal A de 10 g possède une surface d'échange de 50 cm². Un animal B de 100 g en possède 300 cm². B a la plus grande surface, mais ses besoins sont ceux de 100 g de cellules. On calcule donc la surface par gramme. Pour A : 50 ÷ 10 = 5 cm²/g. Pour B : 300 ÷ 100 = 3 cm²/g. A dispose de davantage de surface pour approvisionner chaque gramme de son corps. La surface totale seule ne permet pas de conclure : il faut la rapporter à la masse et, idéalement, à l'activité de l'animal.

Un piège à éviter

Beaucoup pensent qu'un poisson sorti de l'eau devrait mieux respirer, puisque l'air contient beaucoup plus de dioxygène. C'est faux : hors de l'eau, les lamelles des branchies s'affaissent, se collent et se dessèchent. La surface utile s'effondre et le poisson s'asphyxie. De même, un poisson ne « casse » pas la molécule d'eau : il prélève le dioxygène dissous dans l'eau. Une grande quantité de dioxygène disponible ne suffit pas, il faut un organe adapté au milieu.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Une classe de 5e étudie la respiration de plusieurs animaux. Elle s'interroge sur une carpe de 200 g : l'air contient bien plus de dioxygène que l'eau, pourtant la carpe vit dans l'eau et s'asphyxie rapidement lorsqu'elle est sortie de l'eau. Les élèves disposent d'un tableau de mesures sur cinq animaux et d'un suivi réalisé dans un aquarium, complété par l'observation d'un poisson échoué sur une berge. Répondez en utilisant uniquement les données fournies et vos connaissances du cours. Toutes les valeurs sont des « Données pédagogiques simplifiées », arrondies, qui ne proviennent d'aucune étude précise.

Document 1 : surfaces d'échange de cinq animaux adultes

Données pédagogiques simplifiées. La surface du criquet correspond à la paroi des trachées au contact des tissus.

Document 2 : suivi d'une carpe et observation d'un poisson échoué

Partie A. Données pédagogiques simplifiées. Une carpe de 200 g vit dans un aquarium de 100 L non aéré, exposé au soleil. Un observateur compte pendant 1 minute les battements des opercules, quatre fois dans la journée (moyenne de trois comptages). On admet que chaque battement fait passer environ 1,5 mL d'eau sur les branchies. Une sonde mesure le dioxygène dissous.

Partie B. Un pêcheur rapporte qu'un poisson laissé sur la berge ouvre et ferme la bouche. Les lamelles de ses branchies s'affaissent et se collent entre elles. La surface d'échange en contact avec l'air est estimée à 100 cm² au lieu de 1 000 cm² dans l'eau. Le poisson s'asphyxie en quelques minutes. Pour comparer, l'air contient environ 280 mg de dioxygène par litre et l'eau saturée à 20 °C environ 9 mg par litre.

Document 3 : série documentaire à conditions contrôlées

Données pédagogiques simplifiées, présentées comme une série documentaire : aucune expérience n'est à réaliser sur un animal. Trois séries de comptages sont issues de bassins différents contenant des carpes de 200 g. Dans chaque bassin, la température est de 20 °C et l'agitation de l'eau est identique. Les concentrations en dioxygène dissous ont été mesurées par une sonde dans chaque bassin et sont différentes (moyenne de trois comptages d'une minute).

Exercice 1 : comparer des surfaces d'échange

1. À l'aide du Document 1, indiquez quels animaux respirent le dioxygène de l'air et quel animal le prélève dans l'eau, avec l'organe utilisé.
2. Calculez la surface d'échange par gramme de masse (en cm²/g) pour chacun des cinq animaux.
3. Peut-on affirmer que les animaux aériens ont toujours plus de surface par gramme que les animaux aquatiques ? Justifiez et précisez les limites du tableau.
4. Montrez que la surface de l'humain est environ 3 500 fois celle de la souris alors que sa masse est 2 800 fois plus grande, puis expliquez pourquoi il faut comparer des surfaces par gramme.

Exercice 2 : exploiter une série de mesures

1. Décrivez l'évolution de la température, du dioxygène dissous et des battements d'opercules entre 8 h et 20 h (Document 2, partie A).
2. Calculez le pourcentage d'augmentation des battements et le pourcentage de diminution du dioxygène dissous entre 8 h et 20 h.
3. Calculez le volume d'eau passant sur les branchies en une minute, puis la masse de dioxygène apportée (en mg par minute) à 8 h et à 20 h. Calculez la variation en pourcentage.
4. Peut-on conclure que la baisse du dioxygène dissous est la seule cause de l'augmentation de la ventilation ? Justifiez. Puis exploitez le Document 3 (température et agitation identiques, dioxygène mesuré différent) : calculez la variation en pourcentage des battements et du dioxygène entre les bassins 1 et 3, indiquez ce que cette série apporte à la question posée et précisez ses limites.

Exercice 3 : confronter les documents pour argumenter

1. Calculez la masse de dioxygène contenue dans 90 mL d'air puis dans 90 mL d'eau saturée à 20 °C. Combien de fois la première est-elle supérieure à la seconde ?
2. Calculez la surface d'échange par gramme de la carpe hors de l'eau (Document 2, partie B) et comparez-la à celle de la carpe dans l'eau (Document 1).
3. Expliquez pourquoi le poisson échoué s'asphyxie alors que l'air est riche en dioxygène.
4. Rédigez en cinq lignes maximum une conclusion argumentée répondant à la situation, en précisant une limite de ces données.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Respirent l'air : le criquet (trachées), la souris et l'humain (poumons), le ver de terre (peau, au contact de l'air du sol humide). La carpe prélève le dioxygène dissous dans l'eau avec ses branchies.
2. Surface ÷ masse : carpe 1 000 ÷ 200 = 5 cm²/g ; criquet 6 ÷ 2 = 3 cm²/g ; souris 200 ÷ 25 = 8 cm²/g ; humain 700 000 ÷ 70 000 = 10 cm²/g ; ver de terre 20 ÷ 5 = 4 cm²/g.
3. Non. Les animaux aériens vont de 3 à 10 cm²/g et la valeur de la carpe (5) se situe au milieu de cet intervalle. Le tableau ne contient qu'un animal aquatique : on ne peut pas généraliser. De plus, les animaux n'ont pas la même activité ni les mêmes besoins en dioxygène.
4. 700 000 ÷ 200 = 3 500 et 70 000 ÷ 25 = 2 800. La surface de l'humain augmente donc plus vite que sa masse, ce qui donne un meilleur rapport (10 contre 8 cm²/g). Les besoins dépendent du nombre de cellules à approvisionner, donc de la masse : la surface par gramme est la comparaison pertinente.

Critères de réussite : unités correctes, calculs justes, refus de généraliser à partir d'un seul animal aquatique.

Exercice 2 : correction

1. Entre 8 h et 20 h, la température passe de 16 à 28 °C, le dioxygène dissous diminue de 9,9 à 7,8 mg/L et les battements augmentent de 60 à 95 par minute. Les trois grandeurs varient de façon régulière.
2. Battements : (95 − 60) ÷ 60 = 0,583, soit une augmentation d'environ 58,3 %. Dioxygène : (9,9 − 7,8) ÷ 9,9 = 0,212, soit une diminution d'environ 21,2 %.
3. À 8 h : 60 × 1,5 = 90 mL, soit 0,090 L/min, et 0,090 × 9,9 = 0,89 mg/min. À 20 h : 95 × 1,5 = 142,5 mL, soit 0,1425 L/min, et 0,1425 × 7,8 = 1,11 mg/min. Variation : (1,11 − 0,89) ÷ 0,89, soit environ 24,7 % d'augmentation. La ventilation accrue compense la baisse de concentration et apporte même plus de dioxygène.
4. Non. La température a aussi augmenté, et les besoins du poisson augmentent quand l'eau se réchauffe : deux facteurs varient en même temps, on observe une corrélation, pas une preuve de cause. Document 3 : parmi les paramètres de milieu documentés (température et agitation de l'eau), les valeurs sont identiques d'un bassin à l'autre, et seul le dioxygène mesuré diffère. Les bassins et les poissons restent cependant distincts, d'autres différences non documentées sont possibles. Du bassin 1 au bassin 3, le dioxygène diminue de (9,0 − 6,0) ÷ 9,0, soit environ 33,3 %, et les battements augmentent de (82 − 64) ÷ 64, soit environ 28,1 %. À température constante, la ventilation est plus élevée quand le dioxygène dissous est plus faible : cela soutient l'idée que le dioxygène est un facteur de la ventilation. Limites : série documentaire simplifiée, bassins différents, trois valeurs seulement, aucune généralisation à tous les poissons, et cela n'exclut pas d'autres facteurs. Aucune manipulation d'animal n'est nécessaire.

Critères de réussite : pourcentages calculés avec la bonne valeur de départ, volumes convertis en litres, distinction entre corrélation et causalité, utilisation du Document 3 où température et agitation sont constantes, limites de la série citées.

Exercice 3 : correction

1. Air : 0,090 × 280 = 25,2 mg. Eau : 0,090 × 9 = 0,81 mg. Rapport : 25,2 ÷ 0,81, soit environ 31 fois plus dans l'air.
2. Hors de l'eau : 100 ÷ 200 = 0,5 cm²/g, contre 5 cm²/g dans l'eau, soit dix fois moins. Cette valeur est inférieure à celle de tous les animaux du Document 1.
3. Les lamelles s'affaissent et se collent hors de l'eau, ce qui réduit la surface en contact avec le milieu à environ un dixième. Elles se dessèchent aussi, or les gaz ne traversent qu'une paroi humide. Les branchies sont adaptées à l'eau, pas à l'air : la quantité de dioxygène disponible ne suffit pas sans surface d'échange fonctionnelle.
4. Exemple de conclusion : l'air contient environ 31 fois plus de dioxygène que l'eau, mais la carpe ne peut l'utiliser car ses branchies perdent leur surface et leur humidité hors de l'eau. Respirer efficacement dépend donc de la disponibilité du dioxygène et de l'adaptation de la surface d'échange au milieu. Limite : les données portent sur un seul poisson et des valeurs simplifiées, elles ne prouvent pas que tous les poissons réagissent de la même manière.

Critères de réussite : confrontation explicite des deux documents, deux arguments reliés (quantité de dioxygène, surface d'échange), conclusion nuancée.