Occupation des milieux

2/ Milieu de vie et organes respiratoires

Analyse de quelques animaux

On observe que les animaux présent dans ce tableau vivent tous dans un milieu aquatique, pourtant tous ne respirent pas dans l'eau. Donc le milieu de vie ne conditionne pas le milieu de respiration.

Tout les animaux respirent, mais par des méthodes différentes (poumons, branchies, trachée, échange gazeux). Nous allons étudier comment les organes influent sur le milieu de vie des animaux. Nous allons mettre en évidence les différents organes respiratoires pour différents type d'animaux.

2.1/ la respiration des animaux à squelette externe.

On sait que les insectes respirent (vu dans les parties précédentes). Mais nous ne savons comment ils respirent, quels organes ils utilisent.

Hypothèse : On pense que les insectes utilisent des organes particulier pour la respiration.

Expérience : observation de la respiration d'insectes.

La respiration d'une sauterelle, en regardant attentivement on peut voir un orifice. Cet orifice porte nom de stigmate

La respiration d'une libellule.

Dans les 2 vidéos on observe des mouvements respiratoires. Dans la première vidéo on peut observer des sortes de petit trous ronds sur le corps de la sauterelle. On appele ces orifices (les petits trous) des stigmates.

Hypothèse : On suppose que les stigmates servent à la respiration des insectes.

image d'un asticot, à gaucge la partie antérieure et à droite la partie postérieure.

Expérience : On recouvre les stigmates de cire.

Résultats : L'asticot s'asphyxie. Si on ne retire pas la cire l'asticot va mourir.

Interprétation : On sait que la respiration est indispensable à la vie. La respiration est un échange gazeux. Les gaz doivent pénétrer dans l'organisme pour pouvoir être échangé dans un organe spécialisé.

Conclusion : Donc les stigmates sont les orifices respiratoires.

Hypothèse : On pense que les animaux à squelette externe ont un organe respiratoire spécialisé.

Expérience : Dissection de la larve d'asticot.

Un asticot (larve de mouche) utilisé pour la pêche est posé sur une lame de microscope. On maintient la partie antérieure avec une aiguille, puis avec une autre aiguille on sépare la partie antérieure du reste du corps. La partie antérieure est montée entre lame et lamelle à l'aide d'une goutte d'eau. Le tout est observé au microscope.

Résultats :

       Trachée respiratoire x 150                                                                      Stigmate x150

On observe que les organes respiratoires des insectes sotn des tubes et qu'à leur extrémité on observe un stigmate. Ces tubes sont nommés trachées respiratoires. Ils servent d'organe respiratoire et permettent d'apporter l'air au plus proche des cellules consommatrices de dioxygène (neurones et muscles) et facilitent ainsi l'échange gazeux. On n'observe pas d'autres organes respiratoires dans ces animaux. Si on dissèque un criquet, on retrouve les trachées respiratoires et les stigmates. Ce sont les 2 seuls organes respiratoires. 

2.2/ Oxygénation du milieu

2.2.1 / oxygénation par les végétaux verts
On sait que les végétaux verts peuvent produire du dioxygène en présence de lumière.

Hypothèse : les végétaux verts sont important pour l'oxygénation de l'eau. 

Expérience :

Résultats : on observe que la quantité de dioxygène dissous augmente au cours du temps. On constate que des bulles d'air apparaissent sur les bords du bocal et la plante. On observe sur le graphique que la quantité d'oxygène dissous n'augmente pas linéairement et quel production de dioxygène se fait pendant les périodes lumineuses, alors que pendant les périodes obscures les plantes semblent consommer du dioxygène.

Interprétation : On sait que les plantes vertes respirent. On sait que le dioxygène peut être dissous dans l'eau. On sait qu'en présence de lumière la plante transforme le dioxyde de carbone en dioxygène, c'est la photosynthèse.

Conclusions : les végétaux verts permettent d'oxygéner l'eau.

La prolifération des plantes vertes dans l'eau peut être à l'origine de différents problèmes tels que  : 

2.2.2/ Oxygénation par la température

Nous avons tous remarqué que lorsque nous courons en été on a rapidement l'impression de "manquer d'air." L'hiver l'air est plus vivifiant. il semblerait donc que la température influe sur la quantité de dioxygène présent dans un milieu. Dans l'air l'effet de la température est modeste et l'impression de "manquer d'air" est lié à d'autres processus physiologiques. Pour en être sûr nous allons faire des expériences pour mesurer la quantité de dioxygène dans l'eau.

Hypothèse : on suppose que la température modifie la quantité de dioxygène

Expérience : on prend 2 bécher plein d'eau. Dans chaque bécher un oxymètre. Un des 2 béchers est porté à 45°C pendant 40 minutes, alors que l'autre est conservé à température ambiante (25°C). Le taux de dioxygène dissous est mesuré en continu.

Résultats : dans le bécher qui a été chauffé on observe des bulles d'air qui se forment le long de la paroi. La quantité de dioxygène dissous mesuré par l'oxymètre a diminué tout au long de l'expérience pour passer de 5 mg / L à 2 mg / L.

Interprétations : on sait qu'il y a du dioxygène dissous dans l'eau. On sait que lorsqu'on chauffe un gaz il a tendance à se dilater (gonfler comme la montgolfière).

Conclusions : lorsque la température augmente, le dioxygène dissous va se dilater, il va former une bulle qui va remonter à la surface et s'échapper. Donc la température est responsable de l'oxygénation des milieux. Plus la température va augmenter, moins il y aura de dioxygène dissous.

Ce phénomène existe aussi dans l'air, mais l'air étant beaucoup plus mobile que l'eau, le phénomène n'est quasi pas perceptible.

2.2.3/ Oxygénation par l'agitation

Nous avons tous remarqué que certains poissons vivent dans les torrents et les rivières alors que d'autres préfèrent les eaux calmes et peu agitées. Par ailleurs, lorsque l'eau est agitée on a tous observée des bulles à l'intérieur. Du coup, est-ce important?

Hypothèse : on pense que l'agitation modifie l'oxygènation de l'eau.

Expérience : on prend 2 bécher plein d'eau. Dans chaque bécher un oxymètre. Un des 2 béchers est agité grâce à un barreau magnétique (expérience test) alors que l'autre n'est pas touché (expérience témoin). Après 10 minutes d'agitations le taux dioxygène est mesuré dans les 2 béchers.

Résultats : dans le bécher qui a été agité, on observe des bulles d'air qui se forment au milieu du vortex (tourbillon). La quantité de dioxygène dissous mesuré par l'oxymètre a augmenté dans le bécher agité, elle est passée de 5 à 8 mg / L. Dans le bécher témoin (non agité), le taux de dioxygène dissous, n'a quasi pas varié, il a même légèrement baissé.

Interprétations : on sait qu'il y a du dioxygène dissous dans l'eau. On sait que lorsqu'on chauffe un gaz il a tendance à se dilater (gonfler comme la montgolfière).

Conclusions : lorsque la température augmente, le dioxygène dissous va se dilater, il va former une bulle qui va remonter à la surface et s'échapper. Donc la température est responsable de l'oxygénation des milieux.

Ce phénomène existe aussi dans l'air, mais l'air étant beaucoup plus mobile que l'eau, le phénomène n'est quasi pas perceptible.

La quantité de dioxygène est donc fonction de la température de l'eau, mais aussi de son agitation. En effet, dans une rivière qui rebondit de pierre en pierre on observe de nombreuses bulles d'air dans l'eau. Par conséquent la quantité de dioxygène présent dans l'eau est augmentée. A l'inverse dans une rivière calme qui coule tranquillement, l'air dissous va pouvoir s'échapper sous forme de bulles et par conséquent la quantité de dioxygène dissous dans l'eau sera uniquement fonction de la température de celle-ci.. Le O₂ dissout dans l’eau est aussi fonction de l’agitation de celle-ci. Plus une rivière où une mer va être agitée, plus elle contiendra de O₂.

2.2.4/ Oxygénation du milieu en fonction de l'altitude

Lorsque nous allons skier sur un glacier à 4000 mètres d'altitudes, on a plus de mal à respirer que lorsque nous skions sur une montagne à 1500 métres.

Hypothèse : on pense que l'altitude modifie le pourcentage d'oxygène de l'air.

Expérience : On va mesurer le taux de dioxygène dans l'air à différentes altitudes. Grâce à un oxymètre.

Résultats : Quelle que soit l'altitude à laquelle la mesure est effectuée le taux de dioxygène mesuré est sensiblement le même aux environs de 21% aux erreurs de mesure prés.

Interprétations : on sait que l'air est un mélange de gaz.

Conclusions : Le taux de dioxygène ne varie pas avec l'altitude.

L'explication est plus complexe, en fait ce n'est pas le taux de dioxygène qui change, mais la quantité d'air qui diminue lorsque l'altitude augmente. Quand on monte en altitude, il y a moins d'air (diminution de la pression atmosphérique d'un facteur 3 entre le niveau de la mer et le sommet de l'Everest). Si il y a moins d'air, il y a donc moins de dioxygène disponible et donc respirer ou faire tout autre action devient plus difficile.
Plus on s’éloigne du niveau de la mer (vers le bas ou vers le haut) au moins il y a de O₂. C'est pour cette raison (ainsi que la température) qu'il y a peu d'êtres vivants qui vivent au sommet des montagnes. Lors d'une ascension, au delà de 3500 mètres il devient difficile de respirer. Au delà de 7000 mètres nous sommes à environ 20% de nos capacités physiques. Les capacités mentales se réduisent très vite avec l'altitude. A partir de 5000 métres des effets mesurables (écritures maladroites, perte de raisonnement logique, lenteur, ...) commencent à se faire sentir. La hauteur maximale de vie des Hommes est environ 5500 mètres. Au dessus la quantité de dioxygène présent est trop faible pour nous et nous accumulons la fatigue. Le corps ne peut s'habituer à vivre au delà de cette hauteur, nous ne pouvons vivre que quelques jours au delà de 6500 mètres.

2.2.5/ Oxygénation des milieux en fonction de la profondeur 

Nous venons de voir que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude et que cela provoque une diminution des possibilités de vie. En est-il de même avec la profondeur?
Plusieurs études disent que le fond des océans est relativement vide. Alors regardons ceci de plus près.

Hypothèse : On pense que la profondeur va modifier le taux de dioxygène dissous.

Expérience : On va mesurer à l'aide de sondes ou d'instruments de mesure la quantité de dioxygène dissous dans les océans.

Résultats :

Mesure de la quantité de dioxygène dissous (mg/L) en fonction de la profondeur (source ocean survey)

On constate que très rapidement la quantité de dioxygène dissous diminue avec la profondeur. Puis à partir de 500 mètres de profondeur le taux de dioxygène dissous va augmenter lentement.

Interprétation : on sait que la température dans l'océan diminue avec la profondeur. On sait qu'à partir d'une certaine profondeur la température ne varie plus. On sait que l'oxygénation augmente avec la profondeur. On sait grâce à la plongée sous-marine, que plus il y a de pression, plus les gaz peuvent se dissoudre dans l'eau (en particulier le diazote qui est responsable de l'ivresse des profondeurs, lorsqu'il est trop important dans le sang). On sait que la pression augmente avec la profondeur.

Conclusion : il est difficile d'expliquer les résultats avec nos connaissances. Nous nous contenterons de conclure que l'oxygénation du milieu diminue avec la profondeur (au moins sur les 500 premiers mètres de profondeur).

2.2.6/ Influence de l'Homme sur l'oxygénation des milieux

Nous avons vu que différents facteurs peuvent modifier la teneur en dioxygène d'un milieu de vie. Un autre facteur est l'activité humaine. L'Homme par son activité peut générer une pollution qui va réduire l'oxygénation d'un milieu. Dans d'autres cas, l'activité humaine va permettre une meilleur oxygénation d'un millieu en dépolluant, bien sûr, mais ça peut être aussi en créant des circulations d'eau qui vont faciliter l'oxygénation d'une marre, en plantant des végétaux verts, etc... L'Homme est donc un facteur important qui va influencer l'oxygénation des milieux de vie.

2.3/ organes respiratoires et milieu de vie

2.3.1/ La respiration des insectes

Comme nous l'avons vu dans le paragraphe 2.1 les insectes respirent par des trachées respiratoires. Les trachées se divisent en trachéoles qui vont aller jusqu'au muscle. Comment se passe l'échange respiratoire dans les insectes au niveau des trachéoles. Observons le principe des échanges gazeux respiratoires chez les insectes. L'air entre par les stigmates, puis au niveau des trachéoles, le dioxygène va être échangé dans le corps contre le dioxyde de carbone.

La situation chez le criquet:

2.3.2/ La respiration des poissons les branchies.

Nous le savons tous les poissons utilisent des branchies pour respirer. Mais comment ça marche ? Afin de mieux comprendre le mécanisme nous allons réaliser une dissection de la branchie de poisson. Mais avant de commencer à disséquer le poisson regardons d'abord quels peuvent être ses mouvements respiratoires (comment l'eau circule).

Hypothèse : on pense que l'eau circule pour que le poisson respire

Résultats : on observe une alternance de l'ouverture et de la fermeture de la bouche et de l'opercule.Dans un premier temps le poisson inspire, bouche ouverte opercule fermé, puis le poisson expire l'eau, bouche fermée opercule ouvert. 

Interprétation : on sait que le poisson respire dans l'eau le dioxygène dissous et qu'il rejette du gaz carbonique

Conclusion : Donc il existe chez  le poisson des mouvements respiratoires qui permettent de faire circuler l'eau et donc de renouveler le dioxygène présent. 

Ci dessous un bilan de la respiration chez le poisson dans lequel on voit la circulation de l'eau, y compris au niveau des organes respiratoires (branchies). On verra une observation microscopique de la branchie de poisson ainsi que le schéma d'observation. L'échange gazeux va se faire entre le sang et l'eau au niveau des branchioles. 

2.4/ Organes respiratoires et milieu de vie 

L’organe respiratoire va influencer la distribution des êtres vivants. En effet, un animal possédant des branchies ne pourra pas vivre à l’air libre, car sinon il mourrait car il aurait trop de O₂ dans le sang (cas particulier des protoptères en afrique p.44 du livre). De même un animal avec des poumons ne peut pas respirer sous l’eau car il est incapable d’extraire le O₂ dissous. Le dioxygène dissous dans l’eau est 35 fois moins abondant que dans l’air. Un poisson doit donc brasser plus d’eau qu’un mammifère. La respiration du poisson représente 30% de ses dépenses énergétiques. En fait un poisson ne meurt pas asphyxié à l'air libre, mais il est en  souffrance car il y a trop d'oxygène (le nom scientifique de ce phénomène est l'hyperoxie). Sur le schéma ci-dessous on peut voir les différents types d'organes respiratoires et comparer les différents types que nous avons vu dans ce chapitre.

2.5/ Oxygénation du milieu et répartition des êtres vivants

Les êtres vivants se répartissent donc en fonction de la disponibilité en O₂ et de leurs capacités respiratoires. Que ce soit pour les animaux ou les végétaux on ne trouve pas les mêmes êtres vivants en fonction des conditions du milieu.

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