Les poumons sont comparables à un soufflet dont la ventilation crée des entrées et des sorties entre l'air extérieur et les alvéoles. Mécaniquement, l'inspiration est un phénomène actif produit par les muscles inspiratoires. Au contraire, l'expiration normale est passive par simple relâchement des mêmes muscles. On sait qu'il est possible de forcer son inspiration pour « prendre son souffle » et aussi de « vider » ses poumons par une expiration forcée. Ainsi l'homme peut mobiliser plus ou moins volontairement des volumes gazeux variables.
L'air respiré est un mélange de plusieurs gaz où dominent l'azote (79 %) et l'oxygène (20,9 %). L'air contient aussi des traces de gaz carbonique (0,03 %) et de gaz rares. Le physicien anglais John Dalton démontra qu'un mélange gazeux, comme l'air, possède une propriété particulière : la pression de chacun de ses constituants s'établit à la valeur qu'elle aurait s'il occupait seul le volume total. Autrement dit, chaque gaz entrant dans la composition d'un mélange a sa pression propre, indépendante de celle des autres gaz du mélange. Cette pression dont dépendent les effets biologiques des gaz sur l'organisme est appelée pression partielle. Si l'on admet qu'il y a 80 % d'azote et 20 % d'oxygène dans l'air, les pressions partielles de ces gaz à la pression ambiante sont respectivement 0,8 bar [1 X 80/100) et 0,2 bar [1 x 0,2], À 30 m (pression absolue 4 bars), les pressions partielles seront :
3,2 bars et 0,8 bar. On constate que la pression totale du mélange est la somme des pressions partielles de ses constituants.
La ventilation pulmonaire permet l'irrigation de l'organisme par l'oxygène et l'élimination du gaz carbonique grâce à la respiration cellulaire. L'intensité des échanges gazeux est régie, pour chacun de ces gaz, par les différences de pression partielle entre les alvéoles pulmonaires et le sang des capillaires pulmonaires. C'est le sang qui transporte ces gaz dans un sens ou dans l'autre. À l'aller, l'oxygène de l'air « capté » par les poumons est fixé par les globules rouges du sang et véhiculé vers les organes consommateurs. Au retour, le gaz carbonique, principal déchet du métabolisme, prend la place de l'oxygène, puis est ramené vers le filtre pulmonaire d'où il est éliminé à l'extérieur. Si le plongeur bloque volontairement la ventilation par l'apnée, ce mécanisme s'enraye progressivement, car le gaz carbonique s'accumule dans l'organisme jusqu'à un seuil où le besoin de respirer à nouveau est irrésistible. Cet acte réflexe permet l'évacuation du stock excédentaire de gaz carbonique et la réalimentation de l'organisme en oxygène.
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