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TP alvéoles

TP: Observation d'alvÉoles pulmonaires

Pour pouvoir réellement démontrer que la structure fractale des poumons permet d'optimiser les échanges gazeux nous avons décidé de mener une observation de ces alvéoles au microscope optique. Nous nous sommes concentrés sur la surface à l’origine des échanges de gaz entre l’intérieur de l’organisme et l’extérieur. Nous savons que cette surface tapisse l’intérieur des alvéoles pulmonaires, placées au bout d’un enchaînement de conduits de plus en plus petits et regroupées en sacs alvéolaires.  

 

Grâce à l’observation au microscope optique d’une coupe de poumon de souris, nous tenterons dans ce TP de mesurer, dans un premier temps, le diamètre de ces alvéoles, pour ensuite en déduire la surface couverte par cette surface d’échange dans une alvéole et enfin de calculer la surface totale d’échanges gazeux chez un individu.

 

Nous avons d'abord mesuré le diamètre d'un globule rouge avec les graduations du microscope pour qu'il nous permette de définir une échelle de ces graduations grâce à la valeur théorique de son diamètre (égalee à 7 micromètres) qui est connue. Ensuite, nous avons mesuré le diamètre d'alvéoles de souris en graduations et avons converti la taille trouvée en aire en mètre carré.

 

 

 

 

 

 

Résultats

Photo

Photos

 

Voici quelques photos que nous avons utilisées pour mesurer les diamètres des alvéoles.

 

Cliquez sur les flèches à droite et à gauche pour faire défiler.

(Images issues de l'expérience)

Calcul
Calcul

 

Les tableaux Excel ci-dessous montrent les résultats que nous obtenons pour les mesures des diamètres des alvéoles. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les colonnes D et E du premier tableau listent simplement l'équivalent d'une graduation en millimètre (10^-3 m) et micromètre (10^-6 m) respectivement, sur les photos qui nous ont servies aux mesures. Il est donc normal, en tenant compte du fait que l'on ait utilisé partout la même focalisation, que ces équivalents soient les mêmes pour toutes les photos. 

 

La colonne F représente les mesures "brutes" qui ont été effectuées, c'est-à-dire qu'avec une règle nous avons mesuré, en millimètre, le diamètre des alvéoles sans appliquer aucune modification au résultat obtenu: il s'agit de la taille des alvéoles sur les impressions des photos que nous avons utilisées pour les mesures. Ces données en millimètre ont ensuite été converties en nombre de graduations, en divisant les données de la colonne F par celles de la colonne D. Le résultat de cette division est présenté dans la colonne G. Enfin, nous convertissons les diamètres des alvéoles en micromètre, en multipliant les données de colonne G avec celles de la colonne E. Le résultat obtenus est donc la taille réelle du diamètre des alvéoles, dans la colonne H, d'un ordre de grandeur d'environ 10^-4 mètres. 

 

La colonne I représente les valeurs des aires des alvéoles trouvées en appliquant la formule du calcul de l'aire d'une sphère à chaque valeur des diamètres en micromètre. 

 

Voici les résultats obtenus de la surface moyenne d'une alvéole en micromètre carré, puis de la surface totale des alvéoles dans les poumons en mètre carré: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'aire trouvée est d'environ 29,6 m2 pour les deux poumons, ce qui est bien supérieur à ce qui pourrait être obtenu sans la structure fractale (cela n'excéderait pas 1 à 2 m2). Néanmoins, l'aire trouvée est plus petite que la valeur théorique de l'air des poumons, qui est de 100 m2 pour les deux poumons. 

 

Voici le fichier correspondant à ce calcul:

Analyse

Analyse

 

Comme nous l’avions prédit avant même d’entamer la mesure des alvéoles pulmonaires, notre résultat semble bien loin de la valeur théorique, trouvée au sein de la littérature scientifique, qui s’avère être aux alentours d’environ 100m2 de surface d’échanges par individu. Voici certaines potentielles sources d’erreur qui auraient pu contribuer à fausser les résultats:

​L’origine du poumon observé: ce n’est pas celui d’un humain mais d’une souris, alors que la vaeur théorique de 100m2 concerne l’être humain. Cela expliquerait pourquoi la valeur est bien inférieur.

  • L’imprécision des mesures: étant donné que nous utilisions des photos de vues de microscope qui ne sont pas infiniment précises, et que nous ne disposions pas d’instrument permettant de faire des mesures (règle graduée précise au millimètre près)

  • L’imperfection de la coupe microscopique: la coupe de microscope n’est surement pas effectué sur le diamètre de chaque alvéole (en admettant qu’il s’agit de sphères), mais coupe probablement beaucoup d’alvéoles au dessus ou en dessous de leur diamètre, ce qui donne des “cercles” plus petits que si la coupe avait été faite exactement sur le diamètre de chaque sphère. Voici un autre argument qui expliquerait que nous trouvons une valeur inférieur à la théorie.

  • Le calcul de la surface d’échanges d’une alvéole: étant donné que l’air arrive dans les alvéoles par un conduit quel qu’il soit, la surface d’échange dans une alvéole ne peut être égale à la surface de la sphère (il faut soustraire l’aire de la partie où le conduit arrive dans l’alvéoles) Comme le suggère ce simple schéma:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Après réflexion sur toutes les possibles causes d’erreur, nous en concluons que notre résultat n’est pas tant éloigné que cela de la valeur théorique (il s’agit du moins de même ordre de grandeur), bien que nous ayons calculé une surface de seulement 29,6m2.

 

Copyright: Chantal Coupin

Conclusion des TP

La dissection du poumon associée à une observation des alvéoles pulmonaires permet de comprendre dans sa globlité le fonction du système respiratoire: de l’échelle macroscopique du poumon à l’échelle microscopique des alvéoles. Ainsi nous comprenons plus concrètement le trajet de l’air dans le système respiratoire, de la trachée, aux bronches, puis bronchioles, alvéoles et enfin dans l’organisme par le biais de la surface d’échanges gazeux. L'image ci-dessous rend compte de la structure fractale des poumons : les conduits ne cessent de se diviser en conduits plus petits (protocole itératif) jusqu'à atteindre l'échelle du micromètre, et desservir les minuscules alvéoles pulmonaires. 

(Image issue de l'expérience)

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