Chapitre 5 — Transport des gaz · Topic 1 · Leçon 1.2
La diffusion est efficace sur de courtes distances (μm). Pour couvrir les centimètres à décimètres qui séparent le poumon des tissus, la nature utilise la convection forcée : un mouvement de fluide (air ou sang) dans un sens prédéterminé, imposé par une pompe. Cette leçon décrit l’équation du débit convectif et l’applique au calcul du débit d’O2 délivré aux tissus.
🎯 Objectifs pédagogiques
- Définir la convection forcée ;
- Écrire l’équation du débit convectif Jconv = Jv × C ;
- Écrire l’équation du débit d’O2 délivré : ḊO2 = Q × CaO2 ;
- Comprendre pourquoi la diffusion seule ne peut pas oxygéner un organisme pluricellulaire.
🧭 Plan de la leçon
- Pourquoi la convection est nécessaire
- Équation du débit convectif
- Débit d’O2 délivré aux tissus
1. Pourquoi la convection est nécessaire
La diffusion (mouvement moléculaire aléatoire dans le sens du gradient) est très efficace sur de courtes distances (μm) mais très lente sur de longues distances : le temps de diffusion est proportionnel au carré de la distance.
Chez les organismes unicellulaires, la diffusion locale suffit à apporter O2 et nutriments aux cellules — tant que la distance à parcourir est inférieure à ~ 100 μm. Au-delà, la diffusion devient trop lente. C’est pourquoi les organismes pluricellulaires ont dû inventer un système de convection forcée pour véhiculer les substances à proximité des cellules : système ventilatoire (air) et système cardiovasculaire (sang).
Convection : mouvement de fluide dans un sens prédéterminé, imposé par une pompe (rapide, indépendant du gradient de concentration à l’échelle macroscopique). Diffusion : mouvement moléculaire dans le sens du gradient de concentration (lente à grande échelle, très efficace à courte distance). Le corps utilise convection sur les grandes distances (air trachéen, sang aortique) et diffusion sur les courtes distances (alvéole-capillaire, capillaire-cellule).
2. Équation du débit convectif
Jconv = Jv × C
Avec :
- Jconv : débit convectif de la substance (quantité/temps) ;
- Jv : débit de fluide (volume/temps) ;
- C : concentration de la substance dans le fluide.
Autrement dit : la quantité de substance transportée par unité de temps est proportionnelle au débit du fluide vecteur ET à la concentration de la substance dans ce fluide.
Applications :
- Dans l’air : Jv = débit ventilatoire, C = concentration en O2.
- Dans le sang : Jv = débit cardiaque, C = contenu en O2 du sang (CaO2).
3. Débit d’O2 délivré aux tissus
ḊO2 = Q × CaO2
Avec :
- ḊO2 : débit d’O2 délivré aux tissus (mL/min) — souvent noté DO2 en clinique ;
- Q : débit cardiaque (L/min) ;
- CaO2 : contenu total en O2 dans le sang artériel (mL/L de sang).
- Q ≈ 5-6 L/min ;
- CaO2 ≈ 200 mL/L de sang (soit 20 mL/100 mL) ;
- ḊO2 ≈ 1 000 mL/min.
Or la consommation d’O2 au repos (V̇O2) n’est que de 250 mL/min. Le débit délivré est donc 4 fois supérieur aux besoins : cette large marge permet à l’organisme d’encaisser une baisse modérée d’apport sans compromettre la consommation d’O2.
Comme ḊO2 = Q × CaO2, un apport insuffisant en O2 peut venir de :
- Une baisse de Q (insuffisance cardiaque, choc) → hypoxie ischémique.
- Une baisse du CaO2 par :
- ↓ hémoglobine (anémie) → hypoxie anémique,
- ↓ SaO2 (hypoxémie) → hypoxie hypoxémique.
Cette lecture guide le raisonnement clinique face à toute hypoxie tissulaire (voir Topic 3).
Tant que ḊO2 est largement supérieur à la consommation, cette dernière est indépendante de l’apport : elle n’est fixée que par les besoins tissulaires (métabolisme). Mais si l’apport chute sous une valeur critique (~500 mL/min chez l’adulte), la consommation devient dépendante de l’apport : chaque baisse supplémentaire de ḊO2 se traduit par une baisse proportionnelle de V̇O2 et le métabolisme aérobie ne peut plus être maintenu → passage au métabolisme anaérobie (production de lactate).
🧠 À retenir absolument
- Diffusion efficace sur ≤ 100 μm ; au-delà, convection forcée nécessaire (organismes pluricellulaires).
- Débit convectif : Jconv = Jv × C.
- Dans le sang : ḊO2 = Q × CaO2.
- Ordres de grandeur au repos : Q ≈ 5-6 L/min ; CaO2 ≈ 200 mL/L ; ḊO2 ≈ 1 000 mL/min.
- Consommation V̇O2 ≈ 250 mL/min : apport 4 × supérieur aux besoins (marge de sécurité).
- Trois façons de baisser ḊO2 : ↓ Q (ischémie), ↓ Hb (anémie), ↓ SaO2 (hypoxémie).
❓ Questions fréquentes
Pourquoi la diffusion suffit-elle aux organismes unicellulaires ?
Parce que la distance entre la surface cellulaire et le cytoplasme est très courte (μm) et que le temps de diffusion croît avec le carré de la distance. Pour un organisme de 100 μm de diamètre, la diffusion suffit à approvisionner toutes les cellules en O₂ et en nutriments. Au-delà, il faudrait des heures pour qu’une molécule diffuse d’un bout à l’autre — d’où la nécessité d’un système de convection.
Que se passe-t-il si Q augmente à CaO₂ constant ?
ḊO₂ augmente proportionnellement. C’est ce qui se passe à l’effort : le débit cardiaque peut être multiplié par 4-5, faisant passer ḊO₂ de 1 000 à 4 000-5 000 mL/min. Combinée à une extraction accrue, cela permet de couvrir des V̇O₂ jusqu’à 20 fois la valeur de repos chez l’athlète entraîné.
Comment un anémique compense-t-il son déficit ?
En augmentant Q (tachycardie). Si Hb chute de 15 à 8 g/dL, le CaO₂ chute proportionnellement. Pour maintenir ḊO₂, le patient augmente son débit cardiaque au repos — d’où la tachycardie et parfois le souffle systolique d’hyperdébit. En cas d’anémie sévère chronique, l’organisme s’adapte, mais la réserve fonctionnelle à l’effort est amputée.
Le débit d’O₂ mesuré en clinique correspond-il à ḊO₂ = Q × CaO₂ ?
Oui, c’est le paramètre DO₂ (delivery of oxygen), mesuré en réanimation à partir du débit cardiaque (thermodilution ou méthodes non invasives) et du contenu artériel en O₂ (calculé à partir de SaO₂, Hb et PaO₂). Sa valeur normale est ~1 000 mL/min ou ~ 500 mL/min/m² une fois indexé à la surface corporelle. Une DO₂ effondrée est un critère de gravité et guide la réanimation hémodynamique.
🚀 Pour aller plus loin
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.