Exercices: L'appareil respiratoire

Écrire le trajet que suit une molécule de dioxygène depuis son entrée par les fosses nasales jusqu'à son arrivée dans un alvéole pulmonaire, en nommant dans l'ordre toutes les structures qu'elle traverse.

Observer l'image de l'appareil respiratoire. Indiquer quel numéro désigne la trachée et lequel désigne le diaphragme, et décrire la fonction de chacune de ces deux structures.

Expliquer avec vos propres mots ce que sont les alvéoles pulmonaires et pourquoi ce sont des lieux adaptés aux échanges gazeux entre l'air et le sang.

Expliquer la différence entre inspiration et expiration, et indiquer quel gaz les poumons prélèvent principalement dans l'air inspiré et quel gaz est rejeté avec l'air expiré.

Classer les structures suivantes selon le trajet de l'air depuis l'extérieur jusqu'aux alvéoles : bronches, trachée, fosses nasales, larynx, bronchioles, pharynx.

Expliquer pourquoi on dit que le pharynx est un « carrefour » entre l'appareil digestif et l'appareil respiratoire, et quels deux types de substances y passent.

Indiquer si ces affirmations sont vraies ou fausses et justifier la réponse : a) les poumons sont des muscles qui se contractent pour faire entrer l'air ; b) les alvéoles sont entourés de capillaires sanguins ; c) l'air expiré contient plus de dioxyde de carbone que l'air inspiré.

Les voies respiratoires sont tapissées de mucus et de cils. Expliquer ce qu'est chacun de ces éléments et comment ils collaborent pour nettoyer l'air que nous respirons.

Décrire ce qui arrive au diaphragme et aux côtes pendant l'inspiration et pendant l'expiration, et expliquer comment ces mouvements provoquent l'entrée et la sortie de l'air des poumons.

Quand nous respirons habituellement par la bouche, l'air arrive aux poumons plus froid, plus sec et chargé de plus de particules que lorsque nous respirons par le nez. À la vue des structures numérotées sur l'image, expliquer ce qui arrive à l'air lorsqu'il traverse les fosses nasales et pourquoi il est recommandé de respirer par le nez.

Un ballon placé dans une bouteille dont le fond est élastique est un modèle maison de l'appareil respiratoire : lorsqu'on tire sur la membrane du fond, le ballon se gonfle. Expliquer ce que représentent le ballon, la bouteille et la membrane du fond, et signaler une limite importante de ce modèle par rapport au corps humain réel.

Quand nous courons, nous respirons plus vite et plus profondément. Expliquer quels muscles réalisent les mouvements de la ventilation et pourquoi les cellules musculaires ont besoin de plus de dioxygène pendant l'effort.

Les parois des alvéoles et des capillaires qui les entourent sont extrêmement fines. Expliquer pourquoi cette finesse est indispensable aux échanges gazeux et raisonner sur ce qui se passerait si ces parois étaient épaisses.

Quand nous avons le nez bouché à cause d'un rhume, nous respirons par la bouche et nous sentons la gorge sèche et irritée. Relier cet inconfort aux fonctions que remplit l'air en traversant les fosses nasales et expliquer pourquoi la congestion s'aggrave souvent lorsque nous nous allongeons.

Expliquer quels deux mouvements la cage thoracique réalise pour renouveler l'air des poumons et quel muscle situé sous les poumons est le principal responsable de ces mouvements.

Si l'on souffle sur une vitre froide, elle se couvre de buée avec l'air expiré. Expliquer ce que ce phénomène montre sur le contenu de l'air que nous expulsons et le relier à l'une des fonctions que remplissent les fosses nasales sur l'air inspiré.

Au repos, une personne inspire environ $0,5\ \text{L}$ d'air à chaque respiration et effectue environ $14$ respirations par minute. Calculer le volume d'air qu'elle brasse en une heure. Si, pendant un effort sportif, le volume par respiration passe à $2\ \text{L}$ et la fréquence à $30$ respirations par minute, calculer combien de fois plus grand est le volume d'air brassé par heure et expliquer pourquoi l'organisme a besoin de cette augmentation.

Avec les années, les fumeurs détruisent une partie des parois de leurs alvéoles (emphysème pulmonaire), de sorte que les alvéoles fusionnent en cavités plus grandes et de surface totale moindre. Raisonner, à partir de la façon dont se produisent les échanges gazeux, pour expliquer pourquoi ces personnes s'essoufflent à l'effort alors même que leurs poumons continuent de se remplir d'air.

Pendant un dîner, un convive parle et rit tout en mâchant et en avalant. Soudain, il est pris d'une violente quinte de toux et porte les mains à sa gorge. Un témoin affirme : « Il s'est étouffé parce que l'épiglotte s'est fermée trop tôt et a dévié la nourriture vers l'œsophage. »

1. a) Réfuter l'explication du témoin : expliquer le rôle réel de l'épiglotte pendant la déglutition, quel conduit elle doit protéger et vers où l'aliment a en réalité été dévié.
2. b) Justifier pourquoi il est anatomiquement impossible de parler et d'avaler en même temps, et expliquer pourquoi le réflexe de tousser avec force est la réponse protectrice la plus efficace de l'appareil respiratoire dans cette situation.

Deux patients présentant des problèmes d'oxygénation sont admis aux urgences :

• Patient 1 : il fait une crise d'asthme sévère ; il a du mal à ventiler et l'air entre à peine dans ses poumons.

• Patient 2 : il a inhalé du monoxyde de carbone provenant d'un poêle à charbon défectueux. Sa fréquence et son volume respiratoires sont normaux et l'air arrive sans difficulté jusqu'à ses alvéoles.

Un étudiant stagiaire affirme que le patient 2 ne court pas de danger vital car « ses poumons font entrer l'air et ventilent tout à fait normalement ».

1. a) Réfuter la conclusion de l'étudiant : identifier à quelle étape de la fonction respiratoire (ventilation pulmonaire, diffusion dans les alvéoles, transport dans le sang ou respiration cellulaire) se situe la défaillance chez chaque patient.
2. b) Expliquer pourquoi, bien que le patient 2 remplisse bien ses poumons d'air, ses cellules risquent de mourir très rapidement par manque de dioxygène.

Le tableau suivant montre l'évolution de deux paramètres dans le sang d'un cycliste au cours de sa préparation sportive :

1. a) Interpréter les données : justifier pourquoi son organisme a augmenté la production de globules rouges en montagne, en la reliant à la plus faible pression de dioxygène dans l'air et à la diffusion dans les alvéoles.
2. b) Prévoir à quel moment (juste après la descente de la montagne ou au bout de quatre semaines) il obtiendra le plus grand avantage compétitif lors d'une course au niveau de la mer et expliquer pourquoi cette amélioration physiologique disparaît avec le temps.

Aux urgences, on prend en charge deux cas d'étouffement par des corps étrangers qui obstruent les voies respiratoires :

• Cas A : un morceau d'aliment est resté coincé dans le larynx, bloquant la glotte.

• Cas B : une pièce de jouet est descendue au-delà de la trachée et s'est coincée fermement dans la bronche principale droite.

L'équipe médicale envisage de pratiquer une trachéotomie d'urgence (ouverture artificielle à l'avant de la trachée).

1. a) Prévoir et justifier dans lequel des deux cas la trachéotomie résoudra l'asphyxie en permettant à l'air d'arriver aux deux poumons, et pourquoi, dans l'autre cas, cette intervention ne résoudra pas le problème.
2. b) Dans le cas où la trachéotomie n'est pas efficace, expliquer quelle conséquence l'obstruction aura sur les échanges gazeux de chaque poumon et raisonner pour dire si le patient peut survivre temporairement avec un seul poumon fonctionnel.

Lors d'une consultation de pneumologie, on réalise une spirométrie chez deux adolescents sportifs :

• Patient 1 (sain) : il expulse $3,6\ \text{L}$ d'air pendant la première seconde d'une expiration forcée.

• Patient 2 (pendant une crise de gêne respiratoire) : il ne parvient à expulser que $1,5\ \text{L}$ pendant la première seconde, mais après inhalation d'un médicament bronchodilatateur, sa valeur monte à $3,3\ \text{L}$.

1. a) Interpréter les données du patient 2 : déduire quel changement physique s'est produit dans le diamètre de ses bronches et bronchioles pendant la crise et quel effet le médicament a eu sur la musculature de ces conduits.
2. b) Un proche du patient 2 affirme : « Si les alvéoles ne sont pas abîmés, l'échange de dioxygène avec le sang devrait être tout à fait normal pendant la crise. » Réfuter cette affirmation en justifiant pourquoi un défaut de ventilation bronchique peut réduire l'échange de dioxygène même si les alvéoles sont sains.

L'air inspiré contient environ $21\ \%$ de dioxygène et $0,04\ \%$ de dioxyde de carbone ; l'air expiré, environ $16\ \%$ de dioxygène et $4\ \%$ de dioxyde de carbone. Comparer les deux compositions, expliquer ce que les poumons ont fait de l'air et raisonner, à la vue des données, pour dire pourquoi l'air expiré peut encore être utilisé lors d'un bouche-à-bouche de réanimation.