Poumon

Poumon
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Poumons humains :
1 : Trachée
2 : Veine pulmonaire
3 : Artère pulmonaire
4 : Conduit alvéolaire
5 : Alvéole
6 et 7 : Bronchioles
8 : Bronche tertiaire (segmentaire)
9 : Bronche secondaire (lobaire)
10 : Bronche primaire (souche)
11 : Larynx

Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment l'oxygène et le dioxyde de carbone. L'oxygène est nécessaire au métabolisme de l'organisme, et le dioxyde de carbone doit être évacué.

Sommaire

Vertébrés

Outre les échanges gazeux, les poumons participent à d'autres fonctions, comme par exemple la régulation du métabolisme acido-basique ainsi qu'un rôle de filtration du sang en éliminant de petits caillots.

Le poumon des Vertébrés prend son origine embryologique dans une excroissance du pharynx. Il est désormais admis que cette origine est différente de celle de la vessie natatoire. L'un des arguments fort est que les poumons sont une divergence de la paroi ventrale et non dorsale du pharynx.


Serpents

Chez la majorité des serpents un seul poumon subsiste, le poumon droit, le gauche étant soit atrophié soit absent[1]. On trouve un poumon gauche fonctionnel chez les espèces primitives de boa et de python. Ce poumon est vestigial ou complètement absent chez les autres serpents. Comme la majorité des organes internes des serpents, du fait de l'addition des vertèbres supplémentaires, il est allongé.

L'unique poumon droit a acquis de nouveaux diverticules chez certaines espèces :

  • Un poumon trachéen, une extension à l'amont du poumon droit, qui permet la respiration lors de l'ingestion d'une proie.
  • Une partie inférieure développée servant à régler l'équilibre hydrostatique chez les espèces aquatiques, comme la vessie natatoire chez les poissons.

Les serpents ont une trachée soutenue par des anneaux cartilagineux qui la maintiennent béante y compris lors de l'ingestion d'une proie les empêchant ainsi de s'étouffer.

Oiseaux

Article détaillé : Système respiratoire des oiseaux.

Le poumon des oiseaux est très modifié, formant des faisceaux de tubes entre deux sacs aériens où l'air circule dans un seul sens. Contrairement aux autres poumons où l'air fait des mouvements de va-et-vient au cours d'un cycle inspiration/expiration.

Humains

Anatomie

Poumons humains ouverts, trachée et bronches

L'Homme possède deux poumons, gauche et droit, deux organes thoraciques, séparés l'un de l'autre par le médiastin, médialement. Ils sont posés sur le diaphragme et protégés par la cage thoracique en avant, en dehors et en arrière, sauf au niveau de leur sommet, car ils dépassent le bord supérieur de la première côte, et montent même jusqu'au dessus de la clavicule, à la base du cou, dans le creux supraclaviculaire.

Le poumon droit est divisé en trois lobes (supérieur, moyen et inférieur), le gauche divisé en deux lobes (supérieur et inférieur). À gauche, la partie lingulaire du lobe supérieur correspond au lobe moyen droit, tandis que la partie culminale (culmen) correspond au lobe supérieur droit. Les lobes sont séparés par des scissures, deux à droite (la grande ou « oblique », et la petite ou « horizontale ») et une à gauche (l'oblique).

Chaque lobe des poumons est divisé en segments pulmonaires :

La segmentation pulmonaire
Poumon droit Poumon gauche
Lobe pulmonaire supérieur Lobe pulmonaire supérieur
Segment Apical Le Culmen
Segment Apical
Segment Antérieur (ventral) Segment Antérieur (ventral)
Segment Postérieur (dorsal) Segment Postérieur (dorsal)
Lobe pulmonaire moyen La Lingula
Segment Externe (latéral) Segment Supérieur
Segment Interne (médial) Segment Inférieur
Lobe pulmonaire inférieur Lobe pulmonaire inférieur
Segment Apical (Fowler) Segment Apical (Fowler)
Segment Péricardiaque (para-cardiaque) Segment Péricardiaque (para-cardiaque)
Segment Antéro-basal (ventro-basal) Segment Antéro-basal (ventro-basal)
Segment Latero-basal Segment Latero-basal
Segment Postero-basal Segment Postero-basal


La vascularisation pulmonaire artérielle est double : le système pulmonaire et bronchique. Les artères pulmonaires apportent le sang veineux du ventricule droit pour l'oxygénation, leur parcours suivant les bronches. Les artères bronchiques proviennent de l'aorte ou des artères intercostales et apportent le sang oxygéné à la paroi bronchique au niveau des bronchioles terminales.

Les poumons sont reliés aux côtes de la cage thoracique par deux membranes appelées plèvres. L'inspiration et l'expiration sont sous le contrôle des muscles intercostaux et du diaphragme qui déforment la cage thoracique et donc les poumons via le jeu des plèvres.

Physiologie

Schéma de l'appareil respiratoire de l'homme.
Détail des alvéoles et de la circulation pulmonaires

Les poumons sont ventilés par les mouvements thoraciques lors de l'inspiration et de l'expiration, qui constituent un cycle respiratoire. En même temps, les alvéoles reçoivent du sang pompé par le cœur droit. Au repos, 4 litres d'air et 5 litres de sang traversent les poumons par minute. Lors d'un effort, ces quantités peuvent varier de manière importante (jusqu'à 160 litres d'air et 30 litres de sang par minute). Ces apports permettent aux alvéoles de remplir leur rôle d'échanges gazeux, à travers de fines membranes qui séparent les alvéoles des capillaires sanguins.

Le poumon est une porte d'entrée pour certains microorganismes, virus, gaz et micro- ou nanoparticules toxiques. En cas d'exposition chronique ou dépassant un seuil de toxicité aiguë, ces organismes et contaminants peuvent être d'intoxication et/ou de phénomènes inflammatoires et allergiques. Ainsi l'exposition à la pollution particulaire de l'air est source de phénomènes inflammatoires (facteur favorisant la cancérisation) [2]

Voies aériennes

L'air passe par le nez (la voie habituelle au repos) ou par la bouche, pour traverser le pharynx et le larynx, qui constituent les voies aériennes supérieures. Il parvient ensuite au niveau de la trachée qui se divise en deux bronches souches (au niveau de T5, de la carène), pour se subdiviser de nombreuses fois, jusqu'à former les bronchioles terminales. Jusqu'à ce niveau, il n'y a aucun alvéole, d'où son nom de partie conductrice. Ensuite s'embranchent les bronchioles respiratoires, point de départ de la partie respiratoire. Celle-ci contient les alvéoles, où peuvent avoir lieu les échanges gazeux.

En plus de leur rôle de conduction de l'air, les voies aériennes supérieures assurent le conditionnement de l'air. Elles permettent ainsi de réchauffer l'air jusqu'à la température de 37 °C (température corporelle) et d'en assurer la saturation en eau. De plus l'air subit un filtrage, en effet tout le long des voies respiratoires sont disposées des cellules sécrétant du mucus, des glandes et des cellules ciliées. Ceci permet de créer une couche de mucus tapissant les voies, et ainsi de fixer les particules (poussières, bactéries, ...) traversant les dites voies. Le mouvement des cils (des cellules ciliées) déplace ce mucus en direction du pharynx permettant son élimination dans le tube digestif (on parle d'escalateur mucociliaire). Ceci constitue un mécanisme important de défense des poumons contre les agressions extérieures. De plus, on retrouve des macrophages, qui, par leur action de phagocytose, complètent ce système de défense.

Alvéoles
Schéma en coupe des cellules d'un alvéole.

C'est dans les alvéoles, petits sacs terminant les voies respiratoires, appelés sacs pulmonaires ou vésicules pulmonaires, que se produisent les échanges gazeux. Ils sont tapissés d'une paroi très fine (jusqu'à 0,2 μm ; pour comparaison, le diamètre des globules rouges est de 7 μm) contenant les capillaires. La surface totale destinée aux échanges est d'environ 130 m², soit la taille d'un terrain de volley. Ceci permet aux alvéoles d'assurer leur rôle, qui est de transmettre l'oxygène au sang et d'en extraire le dioxyde de carbone.

À ce niveau, on retrouve les pneumocytes de type 2, qui sécrètent le surfactant. La présence de ce dernier est essentielle, dans la mesure où il permet de diminuer la tension superficielle en permettant ainsi une distension pulmonaire plus facile. Pour comparaison, son rôle est le même que le savon qu'on ajoute à l'eau afin de former des bulles de savon. Il prévient le collapsus des alvéoles en phase d'expiration. Il est lavé par l'eau lors des noyades ce qui impose une surveillance intensive des noyés réanimés.

Les mouvements de l'air pendant la ventilation pulmonaire

Dépendent essentiellement de la contraction des muscles respiratoires qui provoque un gradient de pression entraînant l'air à l'intérieur des poumons. L'inspiration est donc qualifiée d'active, la contraction du diaphragme, qui augmente le diamètre vertical de la cage thoracique et des muscles intercostaux externes, qui augmente le diamètre antéropostérieur, entraîne une diminution de la pression à l'intérieur des poumons et donc une entrée d'air.

L'expiration naturelle est un phénomène passif, résultant de forces de rappel élastiques lorsque les muscles se relâchent qui font revenir la cage thoracique à son volume de début d'inspiration et donc chassent l'air des poumons. On peut néanmoins réaliser une expiration forcée, qui est active. Elle fait intervenir les muscles abdominaux et les muscles intercostaux internes.

Les échanges et le transport des gaz

La respiration externe, pulmonaire, permet la transformation du sang désoxygéné qui vient du cœur en sang oxygéné, qui y retournera pour être redistribué à l'ensemble du corps. Les échanges entre les alvéoles et le sang sont en fonction des différences des pressions partielles, un gaz diffusera de la pression élevée vers la pression basse selon la loi de Fick. La pression partielle des alvéoles étant de 100 mmHg pour le dioxygène et de 40 mmHg pour le dioxyde de carbone quand respectivement elle est de 40 mmHg et de 46 mmHg dans le capillaire, l'O2 va des alvéoles jusqu'au sang et le dioxyde de carbone fait le chemin inverse.
Le temps de contact entre le sang et les alvéoles est de 0,75 seconde, mais un tiers du temps seulement suffit pour atteindre les équilibres. Le système cœur-poumons est appelé petite circulation ; cette dernière a été mise en évidence la première fois par le médecin arabe Ibn Nafis en 1242 au Caire

La régulation de la respiration

La respiration se déroule de façon inconsciente et rythmique grâce à l'activité de certains neurones du tronc cérébral. Sa régulation dépend essentiellement de la pression partielle de dioxyde de carbone dans le sang, celle-ci étant captée par deux types de chémorécepteurs localisés en périphérie et dans le système nerveux central. Les premiers se situent dans la crosse de l'aorte et à la bifurcation des carotides, les seconds se situent sur la face ventrale du bulbe rachidien. Toute modification de la teneur en dioxyde de carbone dans le sang entraîne une réponse du rythme et de la profondeur de la ventilation. Des modulations des activités respiratoires peuvent aussi être dues à d'autres stimulations, comme par exemple au cours des émotions (peur, excitation... )

Le maintien de la stérilité pour assurer une capacité respiratoire

Le poumon, organe complexe, est maintenu stérile par les sécrétions qu'il génère, en particulier par un certain nombre de constituants[3] antimicrobiens présents dans le mucus. En sus des glycoprotéines, exemple mucines, on trouve des protéines antimicrobiennes du type lactoferrine[4], lysozyme, lactoperoxydase[5]' [6]' [7]. On trouve également d'autres protéines de type duox[8]' [9] qui permettent la production de peroxyde d'hydrogène, peroxyde nécessaire à la production d'hypothiocyanite. On notera que cette fonction est altérée chez les patients atteints de mucoviscidose[10].

Rôle du système nerveux autonome

Une stimulation sympathique de l'arbre bronchique provoque une dilatation des bronches ainsi qu'une inhibition de la sécrétion de mucus. A contrario, une stimulation parasympathique provoque une constriction des bronches ainsi qu'une stimulation de la sécrétion de mucus.

Invertébrés

Il existe également des « poumons » chez les invertébrés qui ne sont pas homologues des poumons de vertébrés, puisqu'ils sont formés par invagination de l'ectoderme. On les trouve chez les Chélicérates (araignée, scorpion), chez les crabes terrestres (Gecarcinidae, Grapsidae,…) et chez les Gastéropodes Pulmonés (escargot) où c'est la cavité palléale qui joue le rôle de poumon, communiquant avec l'extérieur par un petit orifice appelé pneumostome. D'une manière générale, les poumons permettent une respiration en milieu aérien tout en évitant la déshydratation.

Notes et références

  1. Les serpents, ces animaux fascinants - L'anatomie du serpent sur Squamata
  2. Pope CA III, Hansen ML, Long RW, Nielsen KR, Eatough NL, Wilson WE, et al. 2004. Ambient particulate air pollution, heart rate variability, and blood markers of inflammation in a panel of elderly subjects. Environ Health Perspect 112:339–345
  3. Travis SM, Conway BA, Zabner J, Smith JJ, Anderson NN, Singh PK, Greenberg EP, Welsh MJ. Activity of abundant antimicrobials of the human airway. Am J Respir Cell Mol Biol. 1999 May;20(5):872-9. http://ajrcmb.atsjournals.org/cgi/reprint/20/5/872
  4. Rogan MP, Taggart CC, Greene CM, Murphy PG, O'Neill SJ, McElvaney NG. Loss of microbicidal activity and increased formation of biofilm due to decreased lactoferrin activity in patients with cystic fibrosis. J Infect Dis. 2004 Oct 1;190(7):1245-53. Epub 2004 Aug 26. http://www.journals.uchicago.edu/doi/pdf/10.1086/423821?cookieSet=1
  5. Conner GE, Salathe M, Forteza R Lactoperoxidase and hydrogen peroxide metabolism in the airway, AmJ Respir Crit Care Med 2002 Dec 15;166 (12 Pt2):S57-1 Review http://ajrccm.atsjournals.org/cgi/reprint/166/12/S1/S57
  6. Wijkstrom-Frei C, El-Chemaly S, Ali-Rachedi R, Gerson C, Cobas MA, Forteza R, Salathe M, Conner GE. Lactoperoxidase and human airway host defense. Am J Respir Cell Mol Biol 2003;29(2):206-12. http://ajrcmb.atsjournals.org/cgi/reprint/29/2/206
  7. Al Obaidi AH. Role of airway lactoperoxidase in scavenging of hydrogen peroxide damage in asthma. Ann Thorac Med. 2007 Jul;2(3):107-10
  8. Fischer H. Mechanism and function of DUOX in epithelia of the lung. Antioxid Redox Signal. 2009;11(10):1-13. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19358684
  9. Rada B, Leto TL. Redox warfare between airway epithelial cells and Pseudomonas : dual oxidase versus pyocyanin. Immunol. Res. 2008. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2776630/pdf/nihms-156213.pdf
  10. Mowska, Patryk, Daniel Lorentzen, Katherine Excoffon, Joseph Zabner, Paul B. McCray, William M. Nauseef, Corinne Dupuy, and Botond Bánfi. A novel host defense system of airways is defective in cystic fibrosis. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 1 Nov. 2006. Web. 26 Nov. 2009. http://ajrccm.atsjournals.org/cgi/reprint/175/2/174.pdf.

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