Le terme « respiration » fait référence à deux processus distincts, qui se produisent tous deux chez les êtres vivants et sont liés à la production d’énergie. L’un est la respiration physiologique, le processus par lequel un organisme absorbe de l’oxygène et excrète du dioxyde de carbone. La seconde est la respiration cellulaire, une série de réactions biochimiques qui permettent à une cellule de générer de l’énergie.
Respiration physiologique
Il y a quatre étapes dans ce processus chez l’homme et d’autres mammifères, et elles tracent la progression de l’oxygène de l’inhalation dans les poumons à l’absorption par les organes internes et d’autres tissus. Il couvre également l’expiration du dioxyde de carbone.
Ventilation
La première étape est la ventilation, dans laquelle l’air entre et sort des alvéoles des poumons. Ce sont des structures fibreuses de collagène qui se dilatent lors de l’inhalation, pour absorber le maximum d’oxygène ; à l’expiration, ils se contractent et libèrent du dioxyde de carbone. Les alvéoles ne sont présentes que dans les poumons des mammifères; cependant, des structures similaires existent chez d’autres animaux vertébrés, tels que les reptiles et les oiseaux.
Échange de gaz pulmonaire
À ce stade, l’oxygène des alvéoles pénètre dans le système circulatoire par les capillaires pulmonaires. Les alvéoles et les capillaires pulmonaires sont séparés par une barrière de seulement deux cellules d’épaisseur ; une fois franchie cette barrière, les molécules d’oxygène se lient à l’hémoglobine, une protéine spéciale, dans les globules rouges.
Transport de gaz
Le transport des gaz commence dans les capillaires pulmonaires. Dans cette étape, l’oxygène lié à l’hémoglobine se déplace à travers les vaisseaux sanguins du système circulatoire, pour finalement pénétrer dans les capillaires dans tout le corps. Les capillaires alimentent les organes, les glandes et autres tissus, qui ont besoin d’un apport constant d’oxygène pour fonctionner.
Échange de gaz périphérique
La dernière étape est l’échange gazeux périphérique, au cours duquel l’oxygène passe des capillaires aux cellules. Cela se produit de la même manière que la diffusion des gaz entre les alvéoles et les capillaires pulmonaires dans les poumons. Les gaz résiduaires, tels que le dioxyde de carbone excrété par les cellules, pénètrent dans les capillaires et se déplacent à travers le système circulatoire vers les poumons, où ils sont libérés lors de l’expiration.
Autres systèmes physiologiques
La respiration n’est pas exclusive aux organismes dotés de poumons. Par exemple, chez la plupart des espèces de poissons, il se produit dans les branchies, qui permettent aux animaux d’extraire l’oxygène de l’eau. Chez les amphibiens, la plupart des échanges gazeux se produisent à travers la peau; les poumons fournissent un moyen de contrôler les niveaux d’oxygène du corps, en agissant comme une source secondaire d’oxygène. Les plantes produisent de l’oxygène via la photosynthèse et en absorbent davantage par diffusion à travers leurs feuilles. Quel que soit le processus physique, tous ces organismes absorbent de l’oxygène et excrètent du dioxyde de carbone, tout comme les mammifères.
Respiration cellulaire
L’oxygène apporté aux tissus par la respiration physiologique est utilisé dans toutes les cellules pour le processus biochimique de la respiration cellulaire. Ce processus, également appelé métabolisme oxydatif, est un ensemble de réactions chimiques, dont beaucoup impliquent l’oxygène, qui permettent au corps de convertir certaines molécules en énergie utilisable. Dans les cellules animales et végétales, les réactions se produisent qui convertissent les nutriments en une molécule riche en énergie appelée adénosine triphosphate (ATP).
L’oxygène est nécessaire à la respiration cellulaire car de nombreuses réactions d’oxydoréduction, également appelées réactions redox, se produisent tout au long du processus de respiration. Ce gaz est un puissant agent oxydant, ce qui signifie que, dans les réactions chimiques, il peut facilement donner ses électrons disponibles. Cela le rend très utile dans les réactions.
Les réactions qui se produisent sont également appelées cataboliques, car elles cassent les grosses molécules nutritives en plus petites. Ces molécules sont des sucres, qui sont dérivés des glucides ; acides gras provenant des graisses alimentaires; et les acides aminés, dérivés des protéines. Les électrons sont libérés lorsque les nutriments sont décomposés et les électrons sont utilisés dans des réactions qui produisent de l’ATP. Cette molécule riche en énergie est ensuite utilisée dans les cellules pour alimenter presque toutes les réactions qui se produisent en leur sein.
Respiration cellulaire anaérobie
Chez les animaux et les plantes, ainsi que chez de nombreuses espèces bactériennes, le type de respiration cellulaire qui se produit est aérobie, ce qui signifie simplement qu’il utilise de l’oxygène. Chez certaines espèces de bactéries, la respiration est anaérobie, ce qui signifie qu’elle n’utilise pas d’oxygène. Au lieu de cela, ces organismes utilisent des molécules telles que le nitrate ou le soufre comme substitut. Certains ont même évolué au point de ne pouvoir vivre que dans des environnements sans oxygène.