L'appareil respiratoire, appelé aussi système respiratoire, est l'ensemble des organes de l'organisme qui permet d'acheminer le dioxygène () de l’extérieur (air ou eau) vers les cellules et d'éliminer le dioxyde de carbone () produit durant la respiration cellulaire. En effet, pour produire de l’énergie, les cellules utilisent de l' et rejettent du . Ces cellules n'ont souvent pas d’accès direct à l', car elles sont enfouies dans le corps.
Afin de pouvoir capter l' nécessaire, les animaux terrestres ont généralement développé des poumons, ou des branchies pour les animaux aquatiques, qui sont fortement vascularisés. Ces organes ont pour but d’augmenter la surface d'échange entre le milieu et le sang par des alvéoles pour les mammifères, des parabronches pour les oiseaux, des filaments et des lamelles pour les branchies. Mais d'autres surfaces peuvent être utilisées pour les échanges gazeux, en particulier la peau. Un système de ventilation adapté pour remplir et vider les poumons ou faire passer de l'eau par les branchies est aussi nécessaire.
Définition de l'appareil respiratoire Tous les animaux multicellulaires ont besoin d' pour vivre. Pour créer de l'énergie, les cellules de leurs corps absorbent l' et rejettent du . Comme le génère de l'acide carbonique, qui est nocif pour le corps en trop grande quantité, il doit être éliminé à la même vitesse que l' est absorbé. vignette|372x372px|Définition des organes constituant l'appareil respiratoire. Le mécanisme global de la respiration comprend quatre étapes :
La ventilation qui permet de créer un flux d'air ou d'eau vers la surface d'échange avec la circulation interne du corps ; La surface d'échange de l' et du entre l'air ou l'eau et la circulation interne du corps ; Le transport de l' et du à l'intérieur du corps ; L'échange de l' et du entre la circulation interne et les cellules.
Quand l' est entré dans la cellule, la respiration cellulaire commence. Les organes nécessaires pour assurer les première et deuxième étapes constituent l'appareil respiratoire.
Beaucoup d’animaux, en particulier ceux de petite taille, n'ont pas d'appareil respiratoire car la distance entre leurs cellules et l'extérieur est suffisamment petite pour que les échanges de gaz puissent se faire directement ; c'est, par exemple, le cas des méduses et des vers plats. Les insectes ont un système de ventilation, mais pas de transport des gaz à l’intérieur de leurs corps ; ils ont des tubes qui connectent directement les cellules avec l'extérieur. Les salamandres de la famille des Plethodontidae n'ont pas de système de ventilation, le passage des gaz se fait uniquement par la peau.
La ventilation pour les animaux à ventilation interne peut se faire de deux manières :
La respiration tidale : l'air ou l'eau entre puis sort par les mêmes ouvertures (il y a inspiration, puis expiration) ; La respiration à flux unidirectionnelle : l'air ou l'eau entre par une ouverture, puis sort par une autre.
La respiration à flux unidirectionnelle est plus efficace car elle permet non seulement un apport de l' en continu, mais aussi un flux du sang à contre-courant de l'apport en qui assure une optimisation de l'absorption en .
Respiration aérienne Comme l'air contient beaucoup plus de dioxygène que l'eau (au niveau de la mer, l'air en contient , et l'eau douce à au maximum ), la surface d'échange est proportionnellement plus faible pour les animaux à respiration aérienne que pour ceux à respiration aquatique. De plus, comme la viscosité de l'air est plus faible que celle de l'eau, l'énergie nécessaire à la ventilation est aussi réduite. Les mammifères, qui ont un métabolisme très élevé et qui nécessitent ainsi un apport d'oxygène important, ont un système respiratoire plutôt inefficace.
Un problème de la respiration aérienne est que l'air dessèche les surfaces respiratoires, ainsi, pour les animaux qui ne vivent pas dans un milieu aquatique, la respiration aérienne se fait à l'intérieur du corps dans un environnement protégé et humidifié par une sécrétion appropriée. De plus, comme l'air est un gaz, il est facilement compressible, ce qui exige que les tubes qui amènent l'air vers les surfaces d'échanges des gaz restent ouverts et ne s’effondrent pas.
Chez les mammifères vignette|315x315px|Appareil respiratoire chez l'être humain La plupart des mammifères respirent principalement en utilisant l'appareil respiratoire, mais dégagent aussi 1 % à 2 % de leur par leur peau. Les chauves-souris sont même capables d'éliminer jusqu'à 12 % de leur pendant leur vol.
Les organes de la ventilation Chez les mammifères, l'air entre par le nez, passe par la gorge (pharynx, puis larynx) et la trachée, puis dans deux tubes, les bronches, un à droite et un gauche, qui entrent dans les poumons. Dans chacun de ces poumons, les bronches se ramifient en voies aériennes de plus en plus petites, les bronchioles, pour aboutir dans de petits sacs, les alvéoles où se fait l'échange avec la circulation interne, le sang.
Les mammifères ont donc une respiration tidale : l'air est aspiré jusque dans les alvéoles lors de l'inspiration, et chassé par le même chemin lors de l'expiration.
En passant par le nez, l'air est réchauffé, humidifié et partiellement filtré. Au niveau du pharynx, il y a un croisement avec l’œsophage, le tube utilisé pour la nourriture ; un mécanisme particulier en conjonction avec le larynx permet d'avaler sans que la nourriture entre dans les voies respiratoires. En haut de la trachée, des glandes sécrètent un mucus qui lubrifient les voies respiratoires et des petits cils poussent les impuretés vers l'extérieur. La trachée et les bronches sont entourées de petits cercles cartilagineux qui assurent que ces tubes restent ouverts. Les petites bronchioles sont entourées de muscles qui permettent de réguler la quantité d'air dans les alvéoles.
Le mécanisme de la ventilation vignette|Respiration au repos chez l'être humain Les poumons occupent la plus grande partie de la cage thoracique. Ils sont très élastiques et reprennent leur forme dès qu'ils ne sont plus distendus. Chaque poumon est plongé dans un sac à double parois, le sac pleural, qui renferme un liquide ; ceci permet à ceux-ci de glisser dans la cage thoracique lors des mouvements respiratoires. Les sacs pleuraux sont attachés à la cage thoracique.
Un grand muscle en forme de coupole, le diaphragme, délimite la cage thoracique vers le bas. Lors de l'inspiration, ce muscle se contracte, descend vers le bas et agrandit ainsi le volume de la cage thoracique. Les poumons se distendent et augmentent, y aspirant de l'air venant de l'extérieur. Lors de l'expiration, le diaphragme se relâche, les poumons reprennent leur forme normale, tirant le diaphragme vers le haut et chassant l'air vers l’extérieur.
Lors d'un effort, les cellules ont un besoin accru d'. Le nombre de respirations et le volume respiratoire va être augmenté. Par exemple, un cheval de au trot rapide, va augmenter sa fréquence respiratoire de 12 cycles par minute au repos à 60 cycles par minute, et son volume d'air inspiré va être multiplié par 4, passant de 6 l au repos à pendant le trot rapide. Pour pouvoir augmenter le volume respiratoire, d'autres muscles sont mis en œuvre outre le diaphragme, ceux qui se trouvent entre les côtes de la cage thoracique, les muscles intercostaux. Lors de l’inspiration active, les muscles intercostaux externes se contractent afin de soulever les côtes et le sternum, et ainsi augmenter le volume de la cage thoracique, donc des poumons qui y sont attachés.
Lors de l'expiration active, les muscles intercostaux internes se contractent, réduisant le volume de la cage thoracique, et les muscles se trouvent sur le ventre juste en dessous du sternum, les muscles droits de l'abdomen, se contractent pour pousser le diaphragme vers le haut, réduisant encore le volume des poumons.
Alvéoles Les poumons des humains contiennent environ d'alvéoles de de diamètre. Elles sont humidifiées à l’intérieur par une mince couche d'un liquide qui contribue à son élasticité, mais aussi empêche que l'alvéole ne se rétracte complètement. La paroi de chaque alvéole est formée d'une couche de cellules très aplaties et est entourée d'un réseau très dense de petits vaisseaux sanguins, appelés capillaires pulmonaires. La surface totale d'échange entre l'air et ces capillaires représente environ chez l'humain, la grandeur d'un petit court de tennis. Les petits animaux perdent proportionnellement plus de chaleur et ont donc un métabolisme plus élevé, ce qui demande un apport en proportionnellement accru ; et bien que le volume de leurs poumons soit proportionnellement un peu plus petit, la surface d'échange est proportionnellement bien supérieure car la grandeur des alvéoles est réduite, pouvant ainsi en augmenter le nombre, et la densité des capillaires pulmonaires est augmentée.
Transport de l'O2 dans le sang Tous les vertébrés ont une circulation sanguine qui transporte les gaz entre les poumons et les cellules. Les mammifères et les oiseaux ont une circulation qui sépare totalement le sang riche en et le sang riche en .
L' ne se dissout que très peu dans le sang. Un humain consomme (= 0,25 litre) de par minute, mais seulement de sont dissous dans le sang à chaque instant. Une protéine, l'hémoglobine pour les vertébrés, qui peut attacher 4 molécules d', va transporter l' nécessaire. Chaque globule rouge du sang contient environ de molécules d'hémoglobines. Chez les mammifères, 98,5 % du est transporté de cette manière. Chez les poissons, la proportion est moins grande, environ 95 %. Certains poissons, les poissons de glaces de l’Antarctique, vivant dans une mer très froide et fortement oxygénée, n'ont pas d’hémoglobines, l' est transporté que de manière dissoute dans le sang. Le nombre de globules rouges varie lors d'une activité physique prolongée, d'un séjour en haute altitude ou lors une maladie.
L'hémoglobine est une très grande molécule qui contient 4 atomes de fer et qui est rouge lorsqu'elle a attaché de l' et bleue autrement. Elle a beaucoup de variantes d'une espèce à une autre, et même chez l'humain, la composition de l'hémoglobine varie entre le fœtus, le nouveau-né et l'adulte. Presque tous les animaux utilisent de l'hémoglobine pour transporter l', mais chez les araignées, les crustacés et certains mollusques, l'hémoglobine est remplacée par l'hémocyanine où le fer est remplacé par du cuivre.
Les mammifères emmagasinent aussi l' dans les muscles, attaché une protéine, la myoglobine, afin de pouvoir rapidement apporter de l' aux cellules lors d'un effort. Cette protéine donne en particulier la couleur rouge à la viande car, comme l'hémoglobine, elle renferme du fer oxygéné. Une autre protéine, la neuroglobine, a une fonction similaire dans le cerveau.
Transport du CO2 dans le sang Le transport du dans le sang se fait de trois manières : 5 % à 10 % est dissous dans le sang ; 25 % à 30 % se combine à l'hémoglobine ; 60 % à 70 % est transformé en bicarbonate qui est plus soluble dans le sang que l'acide carbonique.
Échange gazeux vignette|333x333px|Pressions partielles des gaz Un gaz va se propager naturellement d'un milieu A vers un milieu B, si sa pression partielle dans le milieu A est plus grande que dans le milieu B ; ce phénomène physique s'appelle la diffusion. Les échanges d' et se font par diffusion entre l'air compris dans les alvéoles et les capillaires pulmonaires, car la pression partielle de l' (notée P()) dans l'air des alvéoles est plus élevée que la P() dans les capillaires pulmonaires. De même la P() dans l'air des alvéoles est plus basse que la P() dans les capillaires.
: la pression de l'air au niveau de la mer est de 760 mmHg (millimètres de mercure) avec une proportion d' de 21 % ; la P() y est donc de . La proportion de est de 0,04 %, donc P() = 0,3 mmHg.. L'azote représente la grande partie de l'air, à savoir 78 %.