TP: La respiration en milieu aérien

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TP: Respiration en milieu aérien; Cours: exemple d’une fonction en interaction directe avec l’environnement: la respiration/ exemple d’intégration d’une fonction à l’échelle de l’organisme

Précision sur les contenus attendus et limites Compétences et critères de réussite Souris

Criquet

L’étude des différents exemples est conduite autour de l’optimisation des différents paramètres de la loi de Fick.

Les observations sont menées à différentes échelles et sur des supports de natures différentes :

dissections si nécessaires, coupes histologiques, analyse de diagrammes d’échanges, préparations tissulaires.

En particulier, les relations entre l’échangeur respiratoire et la convection interne (brassage ou appareils circulatoires) font l’objet d’une attention particulière.

Ces séances s’appuient sur ce qui a été fait lors des 5 séances de 1ère année consacrées aux plans d’organisation.

Gestes exigibles au concours :

-

Mettre en évidence les échangeurs

respiratoires

sur les exemples cités ou proches de ceux cités ;

-

Montage de trachées.

-

Pour les animaux disséqués en première année, la séance s’appuie entre autres sur des études de lames.

REALISER UNE MANIPULATION

- Réaliser une préparation microscopique (préparation fine, pas de bulles d’air, le liquide ne déborde pas de la lamelle, une zone intéressante est présentée à l’examinateur)

- Maîtriser un outil d’observation: le microscope (choix judicieux de l’objectif, réglage correct de la lumière, réglage du contraste avec le diaphragme)

EFFECTUER DES REPRESENTATIONS GRAPHIQUES ET PRESENTER LES RESULTATS

- Représenter sous forme de dessin

(respect des proportions, organisation judicieuse de la légende, traits de légende à la règle, échelle indiquée, traits de crayons nets et continus- pas de hachures-) - Mettre un titre complet au dessin

(nature de la coupe, nature de l’organe, nature de la coloration, nature de l’organisme d’origine et sa place dans la classification, mode d’observation et

éventuellement grossissement)

OBJECTIF:

Etudier comment la loi de Fick est optimisée en milieu aérien, dans le cas de différents échangeurs respiratoires.

Etudier l’organe de mise en mouvement du liquide interne, chez les mammifères.

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ECHANGES GAZEUX RESPIRATOIRES chez le CRIQUET :

- Réaliser un prélèvement et une présenta4on sur lame mince, de trachées de criquet

Prélèvement des trachées

PREMIERE METHODE :

- Découper la cuticule du criquet sur le côté, dans la région abdominale, à l’aide de ciseaux fins, de manière à dégager les trachées. Retirer délicatement le volet de cuticule et mettre l’animal dans l’eau.

- Prélever des trachées et monter entre lame et lamelle dans une goutte d’eau

- Observer au microscope DEUXIEME METHODE :

- Prélever une patte P1 est ouvrir longitudinalement le fémur ou le tibia à l’aide d’une lame de rasoir

- En extraire le muscle à l’aide d’une pince fine

- Dilacérer et monter entre lame et lamelle dans de l’eau glycérinée

- Ecraser légèrement entre lame et lamelle

- Observer au microscope

! Essayer d’avoir un prélèvement montrant le contact entre une trachéole et un tissu (ex : musculaire ou adipeux).

! Penser à toujours bien montrer les ramifications de l’appareil trachéen

TRACHEE OBSERVEE AU MO Epaississement de l’épicuticule (ténidie)

-> maintient la trachée béante

stigmates

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- La paroi alvéolaire comporte trois constituants essentiels:

épithélium, tissu conjonctif et capillaires sanguins (C).

- L’épithélium forme un revêtement continu autour de chaque alvéole et est constitué de deux types de cellules:

•

La majeure partie de la surface alvéolaire est recouverte de cellules pavimenteuses (=aplaties) appelées pneumocytes I (P1). leur cytoplasme est très étendu.

•

Un second type de cellules épithéliales: les pneumocytes II (P2) recouvrent 5% de la surface alvéolaire. Elles sont arrondies et possèdent un volumineux noyau à nucléole bien visible. Les pneumocytes II se caractérisent au MET par la

présence de corps lamellaires. 20 µm

Une coupe de poumon est tout à fait reconnaissable par son aspect en dentelle.

Dans les poumons, on peut trouver 4 types de structures tubulaires: des veines, des artères, des bronches et de la

trachée. La trachée aura ceci d’original qu’elle est entourée d’un anneau de cartilage.

dans l’épithélium pulmonaire, on peut observer différents types d’éléments (ce n’est pas toujours facile de les distinguer les uns des autres) :

- des pneumocytes de type I - des pneumocytes de type II - des capillaires sanguins qui

correspondent à l’échangeur entre air et sang.

ECHANGES GAZEUX RESPIRATOIRES chez les MAMMIFERES : étude du poumon

- Observer la lame de

commerce de coupe de

poumon.

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Bronchiole (épithélium unistratifié

avec cellules ciliées) Artériole

Sac alvéolaire

50 µm

Noyau aplati d’une cellule endothéliale d’un capillaire sanguin capillaire sanguin

Pneumocyte II avec corps lamellaires

Diagnose de coupe de poumon.

OBSERVATIONS INTERPRETATIONS

- Cellules avec noyau - Cellules eucaryotes

- Cellules sans plastes ni paroi - Cellules animales

- Ensemble formé de cellules jointives et de cellules séparées par de la matrice extracellulaire

- Présence de capillaires sanguins.

- Ensemble formé de plusieurs types de tissus: tissu conjonctif et tissu épithélial => il s’agit d’un organe.

-Aspect de dentelle très découpée; La dentelle est formé d’un épithélium pavimenteux (cellules aplaties) simple.

-Présence de structures circulaires à épithélium prismatique (cellules allongées) simple et cilié.

- présence d’alvéoles pulmonaires et de voies aériennes type bronchiole= > il s’agit d’une coupe de poumon

Détail d’une coupe de poumon au MET (x 9000)

Coupe de poumon au MO (x 400)

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Thème 1 : Hémoglobine, température et adaptation aux environnements extrêmes

Les animaux vivant en milieu arctique supportent des changements de conditions de vie importants au cours de l’année : photopériode, température, disponibilité des ressources nutritionnelles, etc. Les mammifères sont un groupe d’animaux homéothermes c’est-à-dire maintenant leur température centrale autour d’une valeur de consigne (ex. : pour l’homme 37°C). Ils présentent un certain nombre d’adaptations à leur habitat arctique : petites oreilles, pelage épais, épaisseur des couches adipeuses, contrôle de la microcirculation, métabolisme particulier…

Dans cette partie, on étudiera le transport du dioxygène aux basses températures pour différents mammifères. Vous montrerez en quoi le fonctionnement de l’hémoglobine des mammifères, actuels et passés, vivant en milieu arctique, peut être interprété comme une adaptation à leur environnement.

Document 1.1 : Variations de température et transport du dioxygène par le sang chez le renne

Le renne (Rangifer tarandus) est un cervidé des régions arctiques d’Europe, d’Asie et d’Amérique du Nord. Il peut vivre jusqu’à des températures de l’air inférieures à – 50°C.

Document 1.1-A : Variations de la température de la peau chez le renne

Sur une population de 51 rennes adultes, on mesure la température de la peau pour différentes températures de l’air variant de – 20 à + 20°C. Les mesures sont réalisées au niveau de l’abdomen et de l’extrémité de la patte antérieure. Le graphe représente la moyenne des 51 mesures obtenues pour chaque température de l’air extérieur.

Pour la même gamme de température de l’air extérieur, la température rectale est constante :

T = + 38,9 0,2°C.

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Document 1.1-B : Saturation en dioxygène du sang chez le renne et chez l’homme

On réalise des mesures expérimentales in vitro de saturation en dioxygène (Y) du sang artériel et veineux chez le renne et chez l’homme (utilisé comme référence) en fonction de la pression partielle en dioxygène (ppO

2

en mm Hg). Pour le sang artériel, les mesures sont réalisées à 37°C. Pour le sang veineux, les mesures sont effectuées à 20 et 37°C.

Par ailleurs, on évalue, pour le renne et l’homme, la pression partielle en dioxygène dans le sang artériel : PaO

2

= 95 mm Hg ;

dans le sang veineux : PvO

2

= 25 mm Hg.

Un taux de saturation de 1 (Y = 1) équivaut à un taux de saturation de 100 %.

Résultats obtenus chez le renne

Résultats obtenus chez l’homme

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Document 1.2 : Comparaison du comportement de l’hémoglobine de mammouth laineux et de l’éléphant d’Asie en fonction de la température

Les deux genres Elephas et Mammuthus font partie du groupe des éléphantidés apparus en Afrique équatoriale. Les membres de la lignée Mammuthus ont colonisé les hautes latitudes entre 2 et 1,2 millions d’années au moment des périodes glaciaires.

On souhaite comparer le comportement de l’hémoglobine de mammouth laineux (Mammuthus primigenius) avec celle de l’éléphant d’Asie (Elephas indicus), une espèce vivant en zone tropicale. Pour cela on construit deux plasmides, vecteurs d’expression, contenant :

les séquences codantes des globines de l’éléphant d’Asie ;

les séquences codantes des globines du mammouth laineux reconstituées à partir du séquençage d’un ADN extrait d’un spécimen de mammouth laineux sibérien (daté d’il y a 43 000 ans).

Ces séquences sont exprimées dans un système bactérien afin de synthétiser les deux hémoglobines.

1) On mesure in vitro la saturation en dioxygène de chacune des hémoglobines en fonction de la pression partielle en dioxygène (ppO

2

exprimé en mm Hg). L’expérience est réalisée, en absence d’effecteurs (– 2,3-BPG), pour deux températures : 11 et 37°C.

2) On complète ces expériences en mesurant la saturation des hémoglobines en fonction de la pression partielle en dioxygène à 11 et 37°C en présence de l’effecteur 2,3 bisphosphoglycérate (+ 2,3-BPG).

Les manipulations ont été réalisées à pH 7 pour les deux espèces : éléphant d’Asie (EA) et mammouth laineux (ML).

ML : 11°C – 2,3-BPG ML : 11°C + 2,3-BPG ML : 37°C – 2,3-BPG EA : 11°C – 2,3-BPG EA : 11°C + 2,3-BPG EA : 37°C – 2,3-BPG

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Document 1.3 : Relation entre milieu de vie et enthalpie de désoxygénation de l’hémoglobine

La désoxygénation de l’hémoglobine est endothermique.

On mesure l’enthalpie moyenne de la réaction de désoxygénation de l’hémoglobine ; elle est notée rH et exprimée en kJ.mol

^-1

de dioxygène. La mesure est réalisée à partir d’oxyhémoglobine saturée à 100 % pour l’hémoglobine de mammouth laineux et d’éléphant d’Asie en absence ou en présence de 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG). La valeur de rH est une valeur moyenne obtenue à partir d’expériences réalisées à 11°C à pH 7.

mammouth laineux éléphant d’Asie

rH (kJ.mol-1 O2) de désoxygénation

0 10 20 30 40

+ 2,3-BPG – 2,3-BPG

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Eléments de correc.on

DOCUMENT. 1.1-A:

L’objec(f de ce document est d’analyser les varia(ons de température de la peau (en surface de l’organisme) en fonc(on de la température du milieu extérieur, sachant que le renne est un animal homéotherme : il conserve sa température centrale constante, évaluée grâce à la température rectale.

OBSERVATIONS: L’analyse du graphique montre que la température de la peau diminue quand la température extérieure s’abaisse, avec des valeurs toujours inférieures à la température rectale (jusqu’à 19°C de moins, à –20°C). La température de l’abdomen reste toujours supérieure à la température de la paHe (écart entre 6 et 2°C).

CONCLUSION: Il n’y a pas de main@en de la température de la peau contrairement à la température centrale et que les extrémités de l’animal, moins protégées et en contact avec le sol froid, se refroidissent plus que la zone viscérale.

HYPOTHESE: La limitaKon des pertes de chaleur au niveau de la peau met en jeu un moindre débit sanguin (vasoconstricKon artériolaire ?). Cela aurait donc des conséquences sur la perfusion sanguine et l’alimentaKon en O2 des paHes.

DOCUMENT. 1-1-B:

L’objec(f de ce document est d’analyser les conséquences de varia(ons de températures sur le transport du dioxygène (comparaison sangs artériel/veineux). Le renne sert de modèle d’animal arc(que et l’homme de référence en

considérant qu’il n’est pas naturellement adapté aux grands froids.

OBSERVATIONS- INTERPRETATIONS:

Pour chacune des deux espèces étudiées, on observe que la saturaKon du sang artériel à 37°C est quasi-totale (donc pas de limitaKon du dioxygène arrivant aux Kssus) et que la température inﬂue sur la saturaKon du sang veineux : la saturaKon est plus élevée à faible température. En conséquence, la diminuKon de la température limite la

désoxygénaKon du sang ce qui pourrait poser problème pour l’alimentaKon en dioxygène des organes périphériques.

D’autre part, la comparaison homme/renne montre une diﬀérence artério-veineuse supérieure chez le renne par rapport à l’homme d’où une plus grande libéraKon de dioxygène chez le renne (1,6 fois plus), en parKculier à faible température. Ceci peut correspondre à une adaptaKon du renne à la vie en milieu froid qui permet le mainKen de l’alimentaKon en dioxygène des organes périphériques.

- L’homme et le renne ne sont pas des espèces phylogénéKquement proches et les diﬀérences observées peuvent aussi être imputées à d’autres facteurs que l’adaptaKon au milieu froid. C’est une des limites de ceHe étude.

DOCUMENT. 1.2:

L’objec(f de ce document est d’analyser le comportement de l’hémoglobine en fonc(on de la température aﬁn de comprendre les modalités d’apport en dioxygène aux organes périphériques. L’u(lisa(on de deux espèces phylogéné(quement proches minimise les diﬀérences liées à d’autres facteurs évolu(fs et adapta(fs.

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OBSERVATIONS:

L’analyse des graphiques permet de comparer les diﬀérentes situaKons à l’aide des P50 :  - Expériences sans eﬀecteurs :

A 11°C, la courbe de la saturaKon de l’hémoglobine a une allure hyperbolique pour les deux espèces, à 37°C, l’allure sigmoïde est, un peu plus marquée pour l’éléphant d’Asie.

On en déduit qu’aux basses températures, l’hémoglobine est saturée pour de très faibles pressions parKelles (ce n’est pas le cas à 37°C) ; la libéraKon de dioxygène aux Kssus exposés aux basses températures (les Kssus périphériques comme ceux des membres) nécessite une très faible pression parKelle, ce qui semble peu probable.

En présence de 2,3-BPG, le comportement de l’hémoglobine aux basses températures est fortement modiﬁé : les courbes de saturaKon à 11°C sont sigmoïdes et la p50 est du même ordre que les p50 à 37°C sans eﬀecteurs. En outre la p50 de l’hémoglobine de mammouth laineux est plus élevée que celle de l’éléphant d’Asie ce qui permet une libéraKon de dioxygène plus importante aux faibles pressions parKelles.

CONCLUSION: Sans eﬀecteurs, les hémoglobines d’éléphan@dés ne libèrent pas (ou très peu) de dioxygène dans les

@ssus exposés aux basses températures. En présence de 2,3-BPG, les hémoglobines voient leur affinité pour le dioxygène modifiée et peuvent le libérer au niveau des @ssus périphériques. L’hémoglobine de mammouth semble plus sensible à l’effet du 2,3- BPG ce qui pourrait se me]re en rela@on avec l’habitat « froid » de ce]e espèce.

DOCUMENT. 1. 3:

L’objec(f de ce document est de comprendre à l’échelle moléculaire les eﬀets du 2,3-BPG.

Dans le cas de l’hémoglobine, l’enthalpie de réac(on est posi(ve, ce qui signiﬁe qu’il y a un apport d’énergie nécessaire pour que la réac(on se déroule. 

OBSERVATION: L’analyse des histogrammes montre que sans 2,3-BPG, les enthalpies sont idenKques chez mammouth et l’éléphant (comme les p50, cf doc 1.2). Avec 2,3-BPG : les enthalpies de désoxygénaKon diminuent ; l’enthalpie chez le mammouth est 30 % plus faible que celle de l’éléphant.

CONCLUSION: On en déduit qu’à basse température, le 2,3-BPG abaisse l’énergie à apporter pour les transi@ons allostériques et donc la libéra@on du dioxygène. Ce]e modiﬁca@on de comportement est plus marquée pour le mammouth ce qui expliquerait la facilita@on de la décharge du dioxygène pour ce]e espèce en milieu froid.

BILAN: La libéra@on du dioxygène par l’hémoglobine est peu favorisée à basse température, or les organes périphériques des animaux vivant en milieu froid présentent des températures plus faibles que les organes centraux. On constate chez ces animaux (renne ou mammouth laineux) une augmenta@on de la p50 et une accentua@on de la forme sigmoïde de la courbe de satura@on de l’hémoglobine pour des températures faibles en comparaison avec des animaux de climats plus tempérés (homme, éléphant d’Asie). Ce]e modiﬁca@on de comportement de l’hémoglobine peut être liée à une plus grande sensibilité aux eﬀecteurs (ex : 2,3-BPG pour les hémoglobines d’éléphan@dés) qui abaisse l’enthalpie de désoxygéna@on et donc l’énergie nécessaire pour la libéra@on du dioxygène au niveau des @ssus.

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Poisson téléostéen : appareil digestif, région branchie cœur avec au moins un arc aortique, appareil reproducteur

Critères morphologiques perme1ant de jus6ﬁer la posi6on systéma6que de l’animal:

Elements de la morphologie externe qui illustrent la vie de rela6on:

- yeux, ligne latérale (percep3on du milieu)

- téguments avec écailles (protec3on)

- nageoires, queue (déplacement dans le milieu) Légendes a1endues pour les diﬀérentes appareils:

Appareil diges,f:

- bouche

- oesophage

- estomac

- caecums pyloriques

- foie

- vésicule biliaire

- canal cholédoque (si visible)

- intes3n antérieur

- intes3n postérieur

- anus

Région branchie-coeur avec au moins un arc aor,que dégagé:

- sinus veineux

- oreille>e

- ventricule

- bulbe artériel

- aorte ventrale

- arcs aor3ques (numéro correspondant aux arcs dégagés)

- Arcs branchiaux, branchies

- opercule

- 2 hémibranchiess = une holobranchie

- Filaments branchiaux= lames branchiales Appareil reproducteur

- Gonades

- Gonoducte

- Oriﬁce génito-urinaire

symétrie bilatérale visible en particulier avec les nageoires paires

bilatérien

colonne vertébrale que l’on peut sentir sur la face dorsale

vertébré

bouche avec mâchoire supérieure et mâchoire inférieure

gnathostome

membrane des nageoires soutenue par des rayons

ostéichthyens symétrie apparente de la nagoire caudale téléostéen

REVISION DISSECTION de la TRUITE.

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Observation de la région branchiale et cardiaque

- Repérer Les différentes parties du corps de l’animal et en particulier les nageoires:

➡

Les nageoires paires, pectorales et pelviennes

➡

Les nageoires impaires, dorsale et anale

➡

_Lanageoire caudale symétrique (homocerque) - caractère dérivé des poissons téléostéens- formée d’un

lobe dorsal et d’un lobe ventral. ligne latérale

(sensibilité aux variations de

pression)

Zone branchiale

Zone triangulaire empêchant de montrer les relations entre coeur et branchies.

Zone cardiaque A l’aide de ciseaux, faire les sections suivant les pointillés

indiqués sur la figure ci-contre, de manière à former un triangle.

La base du triangle est située sous les nageoires pectorales.

Retirer la zone triangulaire en travaillant d’avant en arrière.

A l’aide des ciseaux fins, poursuivre la section médiane vers l’avant.

Le dernière phase est la phase la plus délicate: elle a pour objectif de dégager les vaisseaux (aorte et départ des arcs aortiques) hors du conjonctif qui les masque. Elle se fait à l’aide de la pince fine (pas la pince Dumont!!!)

Les arcs aortiques V et VI sont situés plus sur les côtés et plus en profondeur.

Retirer l’opercule d’un côté pour bien mettre en évidence les branchies.

Pointe du triangle recouvrant l’aorte ventrale

Observations à réaliser :

- Le cœur enveloppé dans le péricarde, comporte 1 sinus veineux, dorsal, postérieur, système assurant le retour du sang veineux, 1 oreillette (dorsale à paroi mince), 1 ventricule plus ventral rose, (à paroi musculaire très épaisse), 1 bulbe aortique ventral, (antérieur, blanchâtre) prolongé par l’aorte ventrale

- Les branchies sont localisées sous les opercules.

- Relation entre les branchies et l’appareil circulatoire : Les arcs aortiques sont constitués par 4 paires d’artères branchiales qui transportent le sang non hématosé vers les branchies.

On peut essayer de faire passer des morceaux de canson noir sous l’aorte pour la faire ressortir, et enventuellement sous les arcs aortiques dégagés.

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Repérez la papille ano-génito-urinaire située à l’avant de la nageoire anale

Placer l’animal, face ventrale vers le haut, dos contre le fond de la cuvette à dissection.

Avec les ciseaux fins, faire une boutonnière en avant de la papille ano-génito-urinaire

Introduire la sonde cannelée dans la boutonnière, vers l’avant, dans le plan sagittal, en la maintenant parallèle à la surface du corps pour ne pas abîmer les organes internes

Couper la peau et les muscles sous-jacents le long de la sonde

Placer l’animal latéralement. Reprendre l’incision au niveau de la papille ano-génito- urinaire et remonter vers la face dorsale, juste au-dessus de la ligne latérale puis sectionner vers l’avant et postérieurement aux opercules

On dégage ainsi le volet cutano-musculaire qui donne accès aux organes de la cavité générale de l’animal