Échanges gazeux dans les poumons

Les poumons doivent être ventilés (ventilation} pour permettre les échanges gazeux entre les alvéoles et le sang. A chaque cycle respiratoire, le volume courant (V_T) est inspiré et expiré. Mais de ce volume VT seule la fraction alvéolaire (V_A) est en contact avec les alvéoles, tandis que le reste (V_D) représente l'espace mort. On a donc V_T = V_A + V_D.

Le volume ventilé par unité de temps V_T (l * min^-1) est égal au produit : V_T * fréquence respiratoire f. Par analogie, on peut aussi calculer la ventilation alvéolaire : V_A = V_A * f ou la ventilation de l'espace mort :
V_D = V_D * f.

Lorsque la fréquence respiratoire f augmente aux dépens de V_T, V_T restant constant (« respiration superficielle »), la grandeur V_A nécessaire aux échanges gazeux diminue ; ceci est dû à l'augmentation de V_D (= V_D * f), car V_D est une grandeur anatomique donnée, et à l'augmentation de f.

Exemple

Normal : V_T = 0,5 l, f = 15 min^-1 ; V_D = 0,15 l
donc V_T = 7.5 l * min^-1 ; V_D = 2.25 l * min^-1 ;
V_A = 5.25 l * min^-1.
Respiration superficielle : V_T = 0,375 l;
f = 20 min^-1 ; V_D = 0,15 l (constant) donc V_T = 7.5 l * min^-1,( resté constant) ; V_D = 3 l * min^-1 (augmenté) ; V_A = 4.5 l * min^-1 (diminué !).

La respiration superficielle conduit donc à une réduction des échanges gazeux du fait de la diminution de V_A. Le même phénomène se produit lorsque l'espace mort est augmenté artificiellement.

Combien d'O₂ est utilisé et combien de CO₂ est formé ?

L'air inspiré contient une proportion d'O₂ égale à 0,21 (F_IO2 et une proportion de CO₂ de 0,0003 (F_lCO2) ; dans l'air expiré, la proportion d'O₂ est de 0,17 environ (F_EO2) et celle de CO₂ est de 0.035 (F_ECO2). Le volume d'O₂ inspiré en fonction du temps est donné par la formule V_T * F_IO2 et le volume d'O₂ expiré en fonction du temps est donné par la formule V_T * F_EO2. La différence V_T (F_IO2 – F_EO2) correspond a la consommation d'oxygène V_O2 qui est, au repos, d'environ 0.3 l * min^-1. De façon analogue le volume de CO₂ libéré VO_C2 est égal à V^T (F_ECO2 – F_ICO2 ), soit environ 0,25 l * min^-1, au repos. V_O2 et V_CO2 sont multipliés par dix environ lors d'un travail pénible. Le rapport V_CO2/V_O2 est appelé quotient respiratoire : selon l'alimentation, il varie entre 0,75 et 1,0.

Étant donné que les pressions partielles alvéolaires moyennes sont de 13,33 kPa (100 mmHg) pour O₂ et de 5.33 kPa (40 mmHg) pour CO₂ et que les pressions partielles dans le sang veineux sont de 5,33 l kPa (40 mmHg) environ pour O₂ et 6,13 kPa (46 mmHg) pour CO₂, il existe pour 0; un gradient de pression partielle de 8 kPa environ (60 mmHg) en sens inverse. La diffusion des gaz entre l'espace alvéolaire et l'intérieur des érythrocytes est due à ces différences de pression.

Le trajet de diffusion entre l'alvéole et les érythrocytes est de 1 à 2 μm, ce qui est suffisamment court pour qu'un équilibre de la pression partielle puisse s'établir pendant le laps de temps où l'érythrocyte et l'alvéole sont en contact (au repos ≈ 0,75 s). La P_O2 et la P_CO2 ont donc pratiquement la même valeur dans le sang capillaire ainsi artérialisé que dans l'alvéole [pour la diffusion du CO₂, la faible différence de pression (6 mmHg environ) est suffisante, car le CO₂ diffuse beaucoup plus vite que l'O₂. Lors d'un travail physique (Qc élevé), le temps de contact baisse jusqu'au tiers de la valeur de repos. S'il existe par exemple un obstacle à la diffusion, l'adaptation de la pression partielle alvéolaire sera donc plus difficile lors d'un effort qu'au repos.

Troubles relatifs aux échanges gazeux : ils sont dus au ralentissement de la circulation des capillaires sanguins alvéolaires (par exemple lors d'un infarctus pulmonaire), à la présence d'un obstacle à la diffusion (un épaississement de la membrane lors d'un oedème pulmonaire par exemple), à la non ventilation des alvéoles (par exemple lors de l'inhalation d'un corps étranger). Une admission veineuse (extra-alvéolaire) est observée lorsque du sang veineux d'une partie des veines bronchiques et des veines de Thebesius du cœur, provenant de court-circuits (shunts) artérioveineux, parvient dans les poumons. Ces mélanges provoquent une baisse de la P_O2, de 13,33 kPa (100 mmHg) (après passage alvéolaire) à 12,66 kPa environ (95 mmHg) dans l'aorte (et une augmentation correspondante de la P_CO2).