Les surfaces d'échanges chez les métazoaires (PDS 5)

Les métazoaires sont des organismes eucaryotes pluricellulaires organisés en tissus différenciés. Ces organismes présentent de nombreux contacts avec leur milieu de vie d’une part, et entre leurs différents tissus d’autres part.
Ces contacts permettent aux Métazoaires d’accomplir des fonctions qui leur sont vitales : la respiration, la nutrition et l’excrétion.
Ces fonctions sont permises grâce aux interfaces entre les différents milieux ; les surfaces d’échanges qui sont des surfaces séparant deux milieux différents (d’un point de vue physico-chimique) à travers lesquelles transitent les différentes substances concernées.
Comment les surfaces d’échanges des Métazoaires leur permettent-elles d’accomplir les fonctions qui leur sont vitales ?

I.Des surfaces d’échanges pour respirer.

La respiration consiste en des échanges de dioxygène et de dioxyde de carbone entre l’animal et son environnement. Ces échanges peuvent avoir lieu grâce à des surfaces directement en contact avec le milieu extérieur, ou par des surfaces internes.

A.Des surfaces externes.

Ces surfaces d’échanges sont directement en contact avec le milieu environnent.
1.Le tégument.
Par exemple chez les amphibiens : la respiration cutanée. L’épiderme des amphibiens ne fait que quelques assises de cellules qui ne sont pas kératinisées (ou juste la première assise) ce tégument très fin permet le passage du dioxygène et du dioxyde de carbone selon leur gradient de Pp. Ces échanges sont facilités par le fait que la peau soit humide.
Cependant, les gaz échangés vont rarement jusqu’aux organes, ils permettent la respiration de la peau essentiellement.

Respiration bucco-pharyngée, très proche de la respiration cutanée. Par exemple chez l’anguille.

2.Par des structures spécialisées.
Exemple des branchies interne de Téléostéens.
Formée d’une double série de lames branchiales, très fines, superposées de part et autre d’un septum interbranchial. Ces lames branchiales portent les lamelles branchiales très vascularisées (p450 Beaumont-Cassier Biologie animale).
C’est au niveau de ces lamelles branchiale que les échanges entre l’eau et le sang on lieu. Selon le gradient décroissant de Pp des gaz, échanges potentialisé par le courant d’eau. Les échanges sont facilités par une grande surface permise par les replis qui forment les lamelles.

B.Des surfaces internes.

Ces surfaces d’échanges se trouvent à l’intérieur de l’organisme. C’est le cas par exemple de l’épithélium pulmonaire de vertébrés. Observation au microscope photonique d’alvéoles pulmonaires. Les alvéoles pulmonaires dont la paroi est formée de pneumocytes de type I et II et de macrophages alvéolaires. Epaisseur environ 0,20 µm. Richement vascularisée, grande surface 180m² environ.

Les surfaces d’échanges permettant la respiration sont donc à l’interface entre deux milieux : le sang (milieu interne) et l’air. Ces surfaces permettent des échanges de gaz, ces échanges étant facilités par les paramètres régissant la loi de Fick : une faible épaisseur, une grande surface, un gradient de pression partielle entre les 2 milieux, vascularisation (contact étroit entre les deux milieux).

II.Des surfaces d’échanges pour se nourrir.

Les Métazoaires peuvent se nourrir directement par l’assimilation de particules alimentaires microscopiques, par exemple les Spongiaires. Ou alors ils absorbent des nutriments, produits de la digestion.

A.Pour échanger des particules alimentaires.

Par exemple chez les Spongiaires. Les particules alimentaires sont amenées dans la cavité gastrique (le spongocoele) par les courants d’eau (entrant pas l’oscule). La paroi du spongocoele ; le choanoderme est constituée, entre autre par des choanocytes.
Les particules alimentaires sont trop volumineuses pour pouvoir passer au travers du choanoderme.
Les choanocytes = cellules avec une colerette renfermant un flagelle, formation d’un courant d’eau qui attire les particules et phagocytose par la choanocyte.
La surface d’échange entre le milieu interne et le milieu nourricier (l’eau) que constitue le choanoderme permet donc le passage des particules alimentaires par un phénomène de phagocytose.

B.Pour absorber les nutriments.

Par exemple dans le tube digestif des vertébrés. L’épithélium digestif et formés de cellules spécialisées et polarisées, donc reliées par des jonctions serrées empêchant ainsi le passage de certains nutriments. Ainsi certains nutriments comme les lipides diffusent à travers la membrane des cellules, d’autres doivent traverser cette surface d’échanges.
Pour se faire les cellules de cette surface présentent des transporteurs spécifiques aux différents nutriments : transporteurs GLUT pour le glucose. Peptides sont absorbés par transport actif secondaire couplé au transport de Na+ .Le fer est transporté grâce au complexe fer+transferrine etc !
L’efficacité des échanges est augmentée par une superficie importante de la surface d’échange : replis muqueux + villosités intestinales + microvillosités

Les surfaces d’échanges permettant la nutrition présentent les caractéristiques « classiques » de toute surface d’échanges (cf Loi de Fick) mais les cellules constituant ces surfaces d’échanges présentent des spécificités pour permettre le passage des particules alimentaires et des nutriments.

III.Des surfaces d’échanges pour excréter.

L’excrétion est l’élimination des déchets azotés (issus du métabolisme, excepté le CO2), mais également de toutes substances en excès (par exemple l’eau) ou toxique pour l’organisme. Les substances éliminées peuvent l’être directement dans le milieu extérieur, ou elles peuvent être éliminées en deux temps : drainage du milieu interne puis élimination vers l’extérieur. Ces échanges se font à travers des surfaces plus ou moins spécifiques.

A.Pour éliminer vers le milieu extérieur.

1.Par diffusion.
Par exemple la chaleur, l’eau lorsqu’elle est en excès dans l’organisme. ???
Chez les organismes ammoniotéliques, le NH3 diffuse simplement à travers le tégument vers le milieu extérieur. Exemple des Spongiaires, Cnidaires, Annélides. Diffusion à travers le tégument des branchies également, aussi des parapodes pour les annélides.

2.Par des cellules spécialisées.
Par exemples les ionocytes. Les ionocytes sont des cellules spécialisées qui permettent soit de sécréter des sels, soit de les absorber, en fonction du potentiel osmotique du milieu. Description des ionocytes : présentent des villosités et sécrétion ou absorption active des sels.

B.Pour drainer le milieu intérieur.

Exemple du néphron des vertébrés.
La paroi des tubules du néphron permettent des échanges d’eau, de NaCl et d’urée. Mécanismes sont combinés.

Les surfaces d’échanges permettent donc l’excrétion chez les Métazoaires, soit par simple diffusion selon les caractéristiques de la loi de Flick. Soit par des cellules spécialisées qui permettent le passage de certaines substances contre des gradients de concentrations, soit par des mécanismes combinés mettant en jeu des mouvements d’ions.

Conclusion :
Les surfaces d’échanges chez les Métazoaires présentent toutes des caractéristiques communes déterminées par les lois de Flick : une finesse, une grande surface (souvent accentuée par des replis comme pour les lamelles branchiales, les alvéoles pulmonaires, l’intestin), une vascularisation importante et un gradient de concentration entre les 2 milieux. Ces caractéristiques sont souvent associées à des spécialités propres à certaines surfaces d’échanges (présence de cellules spécialisées, de mouvements combinés d’ions) dans le but de facilités les échanges entre l’organisme et son milieu et entre les différents milieux au sein de l’organisme afin d’assurer les fonctions vitales que sont la respiration, la nutrition et l’excrétion.
L’importance des surfaces d’échanges se trouve également chez d’autres organismes du vivants comme par exemple les végétaux…[i]