Surfaces d'échange

Que sont les surfaces d'échange en biologie ?

Les surfaces d'échange sont essentielles pour tous les organismes, car sans elles, la vie ne serait pas possible : les organismes mourraient par manque de nutriments ou par excès de déchets, et un organisme ne pourrait pas communiquer pleinement avec son environnement.

Caractéristiques des surfaces d'échange gazeuses

Les surfaces d'échange échangent des gaz, de l'eau, des nutriments provenant des aliments et de nombreuses autres substances, et elles doivent pouvoir le faire aussi efficacement que possible. Cela signifie qu'elles doivent partager un ensemble de caractéristiques qui permettent le mouvement rapide des substances à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule ou du corps. Ces caractéristiques partagées des surfaces d'échange gazeux comprennent :

• L'humidité
• Bonne irrigation sanguine
• Grande surface
• Courte distance de transport pour les substances
• Rafraîchissement de la matière avec laquelle les substances sont échangées (air, aliments, etc.).

Nous allons les examiner plus en détail dans les paragraphes suivants.

Humidité des surfaces d'échange

En maintenant les surfaces d'échange humides, on augmente considérablement le taux d'échange, surtout lorsque la substance échangée est un gaz, comme c'est le cas dans les poumons. En se dissolvant dans l'eau, les substances peuvent diffuser plus facilement à travers la barrière d'une surface d'échange que lorsqu'elles sont sous leur forme gazeuse. Cela s'applique à la plupart des surfaces d'échange, mais la source d'humidité peut être différente dans chaque surface d'échange : dans les surfaces d'échange telles que le tractus gastro-intestinal, la substance (c'est-à-dire la nourriture) apporte généralement sa propre humidité, mais les poumons ont leur propre production d'humidité.

Alimentation en sang lourd dans les surfaces d'échange

Comme tu le sais peut-être déjà, le transport passif de substances repose sur la présence d'un gradient de diffusion ou, dans le cas de l'eau, d'un gradient osmotique ou d'une différence de potentiel hydrique. Pour ce faire, deux méthodes sont utilisées : un apport sanguin important et un rafraîchissement constant de la matière avec laquelle les substances sont échangées. Pour un échange optimal, les deux méthodes sont combinées.

En veillant à ce que les surfaces d'échange soient bien approvisionnées en sang, les substances absorbées sont facilement éliminées, et du sang frais sans substances absorbées est fourni à la place, ce qui maintient une concentration plus élevée dans la matière dont les substances sont absorbées.

Cela fonctionne aussi dans l'autre sens. Lorsque des déchets tels que le dioxyde de carbone (_CO2) sont évacués de l'organisme par la surface d'échange, le sang apporte des déchets frais à la surface d'échange, ce qui permet de maintenir un gradient de concentration qui garantit l'écoulement des déchets hors de l'organisme.

Grandes surfaces des surfaces d'échange

Les surfaces d'échange ont généralement une grande surface par rapport au volume de l'organisme. Cela est généralement dû soit à la petite taille de l'organisme, comme dans le cas des organismes unicellulaires, où la surface de la membrane cellulaire est suffisante pour permettre un échange suffisant, soit à des structures spécialisées dans les systèmes d'échange, comme les alvéoles des poumons et les villosités du tube digestif.

En augmentant la surface, il y a plus de possibilités d'échanger des choses. Tu peux considérer que chaque centimètre carré (^cm2 ) de surface d'échange peut échanger une quantité limitée par minute. Disons que chaque centimètre carré de tissu pulmonaire peut échanger 20 molécules d'oxygène par minute. Si le poumon avait une surface de 10 ^cm2, il pourrait échanger 200 molécules d'oxygène par minute. Mais s'il avait une surface de 20 ^cm2, il pourrait échanger 400 molécules d'oxygène par minute.

En augmentant la surface, tu augmentes le nombre de centimètres carrés capables d'échanger une quantité limitée de molécules chaque minute, ce qui accélère l'échange. Cet échange peut se faire par transport passif ou actif.

Courte distance de transport dans les surfaces d'échange

En minimisant la distance que les substances doivent parcourir lors d'un échange, on augmente le taux d'échange, car les particules doivent parcourir moins de chemin. En d'autres termes, elles passeraient plus tôt du côté opposé de l'échange, par exemple dans le sang, et seraient donc transportées plus rapidement loin du point d'échange. Cela permet à l'échange de se dérouler à un rythme rapide.

Rafraîchir la substance d'échange

Le renouvellement de la substance d'échange consiste àrenouveler constamment la substance à partir de laquelle un organisme obtient des nutriments ou vers laquelle un organisme excrète des déchets. Cela permet de maintenir des gradients de concentration différents et suffisamment élevés pour assurer un échange rapide au niveau des surfaces d'échange. Dans les poumons, par exemple, tu respires constamment, ce qui permet de rafraîchir les gaz dans les poumons, d'éliminer le_CO2 et de maintenir un gradient de concentration.

Lorsque nous excrétons des déchets dans une substance à travers une surface d'échange, nous voulons évidemment maintenir les gradients aussi raides que possible, afin d'éliminer les substances de l'organisme le plus rapidement possible. Il est également extrêmement important de continuer à absorber les nutriments à un rythme suffisamment élevé pour que chaque partie de l'organisme reçoive suffisamment d'éléments nutritifs pour survivre.

Cela a également un impact sur les substances absorbées par le corps. Si tu laisses simplement du matériel à côté d'une surface d'échange, les substances absorbées finiront par s'épuiser. En rafraîchissant le matériel, tu apportes un apport constant de nouveaux nutriments prêts à être absorbés. C'est ce que montre la respiration, qui apporte constamment de l'oxygène frais dans les poumons, ou le péristaltisme, qui fait circuler les aliments dans le tube digestif.

Systèmes d'échange

Comme nous l'avons décrit ci-dessus, certains organismes multicellulaires simples ou très simples peuvent dépendre uniquement de l'exposition à l'environnement pour une partie ou la totalité de leurs besoins d'échange. Lorsque les organismes deviennent plus grands, ce n'est plus le cas et des surfaces d'échange spécifiques deviennent nécessaires pour s'assurer que les organismes peuvent absorber suffisamment de nutriments et excréter suffisamment de déchets.

Laloi du cube carré décrit la relation entre la taille d'un organisme et sa surface. C'est cette loi qui crée une limite supérieure à la taille d'une seule cellule, à moins qu'elle ne soit adaptée pour avoir une grande surface par rapport à sa taille totale, par exemple en étant très longue et mince, avec plusieurs noyaux ou en étant entourée de cellules de soutien comme le sont les cellules nerveuses.

La plus grande cellule unique est l'œuf d'autruche, qui mesure environ 18x18 cm. Les organismes unicellulaires tels que Caulperla taxifolia, un type d'algue, peuvent devenir plus grands dans certaines dimensions ; cependant, ils ont plusieurs adaptations qui leur permettent d'atteindre cette taille, qui créent des surfaces d'échange et possèdent également des noyaux multiples.

Les résultats de la loi du cube carré peuvent être représentés par le rapport entre la surface et le volume. Si le rapport surface/volume devient trop faible, l'organisme doit développer des systèmes d'échange pour permettre un échange efficace de substances, sous peine de manquer de nutriments ou d'être empoisonné par ses propres déchets.

Adaptations des surfaces d'échange

Des surfaces d'échange efficaces sont d'une extrême importance pour la survie de chaque organisme. Ainsi, les surfaces d'échange ont évolué et se sont adaptées pour optimiser les échanges dans les différentes conditions et situations où elles sont nécessaires. Nous allons en voir deux exemples : les branchies et les stomates.

Adaptations des branchies des poissons en tant que surfaces d'échange

Il est plus difficile d'absorber l'oxygène de l'eau que celui de l'air, car le pourcentage d'oxygène moléculaire dissous dans l'eau est plus faible que dans l'air que respirent les animaux terrestres. Cependant, les poissons (et d'autres animaux aquatiques) ont développé des branchies pour optimiser le processus. Les branchies sont particulièrement adaptées aux échanges gazeux dans l'eau, comme tu peux le voir dans le tableau ci-dessous.

Tableau 1. Adaptations des branchies des poissons pour augmenter le taux et l'efficacité des échanges gazeux.

Fig. 2. Structure des branchies des poissons. Remarque qu'il y a plusieurs filaments par branchie, et plusieurs lamelles par filament, ce qui augmente la surface d'échange par rapport à une surface d'échange unique et droite.

Adaptations des stomates en tant que surfaces d'échange

Les plantes ont également des surfaces d'échange de gaz qui ont évolué pour optimiser le rejet ou l'absorption d'oxygène et de dioxyde de carbone : les stomates.

Fig. 3. Les stomates des plantes sont les grosses structures rouges que tu peux observer sur l'image. Source : Flickr.

Quelles sont les adaptations dont disposent les stomates pour que l'échange de gaz dans les feuilles fonctionne ? Le problème majeur pour les plantes est qu'en échangeant des gaz avec l'environnement, elles augmentent également la perte d'eau. Réfléchis : les feuilles sont les parties de la cellule sur lesquelles le soleil tape le plus. Par conséquent, les stomates ont deux adaptations pour réduire la perte d'eau :

• Les stomates sont situés sur la surface inférieure des feuilles, de sorte que le soleil ne frappe pas directement les pores par lesquels les gaz et l'eau se perdent.
• Les stomates peuvent être ouverts et fermés. L'ouverture des stomates est régulée par la quantité d'eau dont dispose la plante. Si elle a beaucoup d'eau, les stomates peuvent rester ouverts plus longtemps, mais lorsque la plante perd beaucoup d'eau, les stomates se ferment pour réduire la perte d'eau.

Surfaces d'échange dans le corps humain

Un exemple d'organisme dont le rapport entre la surface et le volume est trop faible pour se contenter d'échanges avec l'environnement est toi et moi (souviens-toi de la loi du cube carré !). Les humains possèdent plusieurs systèmes conçus pour maximiser l'échange de substances à l'intérieur et à l'extérieur du corps, notamment les poumons et le tractus gastro-intestinal (GI).

Les poumons comme surfaces d'échange dans le corps humain

Les poumons sont adaptés pour favoriser les échanges gazeux de plusieurs façons, chacune d'entre elles adhérant aux principes décrits ci-dessus :

• Surfaces humides sont assurées par la libération d'une petite quantité de liquide à l'intérieur des poumons, qui contient une substance appelée surfactant. Cette substance est composée de protéines et de lipides qui réduisent la tension superficielle dans les poumons. Cela aide les poumons à se dilater, limite l'attraction des liquides des capillaires vers les poumons, humidifie l'air que nous respirons et contribue à l'immunité innée. Cela permet aux gaz de se dissoudre, ce qui signifie qu'ils peuvent se diffuser plus efficacement dans le corps.
• Unbon approvisionnement en sang est assuré par de nombreux capillaires entourant chaque alvéole, qui échangent rapidement de l'oxygène et du dioxyde de carbone avec l'air des poumons, avant de les transporter ailleurs dans le corps, apportant du sang frais désoxygéné chargé de dioxyde de carbone prêt à en échanger d'autres.
• Lagrande surface est fournie par la structure des poumons. Les voies respiratoires se ramifient progressivement en ensembles de tubes de plus en plus petits, allant de la trachée aux étages descendants des bronches puis des bronchioles où l'air s'écoule finalement dans des sacs connus sous le nom d'alvéoles. Ces petits sacs extensibles sont enveloppés de capillaires et offrent une surface d'environ 50 à 70 mètres carrés.
• Lacourte distance de diffusion est assurée par la minceur des cellules épithéliales qui tapissent les alvéoles, ainsi que par la paroi unicellulaire du capillaire. Cela signifie que l'oxygène et le dioxyde de carbone ne doivent traverser que deux cellules avant de pénétrer dans la circulation sanguine et d'être emportés.
• Lerafraîchissement continu de la matière échangée est assuré par la respiration constante, qui élimine l'air rempli de dioxyde de carbone et le remplace par de l'air frais rempli d'oxygène.

Fig. 2. Les alvéoles, la principale surface d'échange des poumons.

Le tractus gastro-intestinal comme surface d'échange dans le corps humain

Le tube digestif absorbe les nutriments et l'eau des aliments et des liquides que nous consommons. Comme les poumons, il possède plusieurs adaptations pour ce faire :

• Lessurfaces humides sont fournies par le liquide que nous consommons et qui est mélangé à la nourriture, ainsi que par la libération de mucus et d'autres substances remplies d'humidité dans le tractus gastro-intestinal.
• Comme dans les poumons, une bonne irrigation sanguine est assurée par les capillaires qui remontent dans chaque villosité de l'intestin, ainsi que par les plis circulaires réguliers de l'intestin.
• Une grande surface est fournie par les villosités, de petites projections en forme de doigts dans la lumière de l'intestin grêle, ainsi que par les plis circulaires que possèdent les parois de l'intestin. Les intestins sont également incroyablement longs, ce qui signifie que le temps de transit des matières à travers eux est prolongé, augmentant ainsi la surface à laquelle les matières sont exposées.
• Lescourtes distances de diffusion sont assurées par les capillaires et les lactaires, qui s'étendent sur la longueur de chaque villosité, ce qui signifie que, comme dans les alvéoles, les substances ne doivent traverser que deux cellules pour pénétrer dans la circulation sanguine.
• Les aliments se déplacent le long du tube digestif, ce qui signifie que desmatières fraîches sont constamment apportées à avec des apports frais de nutriments et d'eau.

Fig. 3 - Les villosités de l'intestin grêle, qui constituent la majeure partie de la surface du tube digestif.

Contrairement aux poumons, le tractus gastro-intestinal utilise également le transport actif pour s'assurer qu'il peut absorber des substances indépendamment des gradients de concentration, maximisant ainsi l'efficacité de l'extraction des nutriments des ressources que nous consommons.