L'ORGANISME EN FONCTIONNEMENT

 CHAPITRE 4 : Circulation sanguine et apport de dioxygène aux muscles

Rappel de 5ème : Le dioxygène prélevé dans l'air alvéolaire au niveau des poumons circule dans le sang pour rejoindre les organes.

Pb : Le coeur est la pompe qui permet de mettre le sang en mouvement : comment fonctionne t-elle ?

I- Le coeur, moteur de la circulation sanguine

1- Dissection du coeur

TP13

Source : Manuel de plongée N4, Alain Foret-Pablo Torres p123

Le cœur est un muscle creux et cloisonné. Il peut contenir le sang dans ses cavités et le mettre en mouvement par des contractions musculaires.

Il agit comme deux pompes placées côte à côte et à aucun moment le sang pauvre en dioxygène ne se mélange avec le sang riche en dioxygène.

Le ventricule droit, chargé d'envoyer le sang dans la petite circulation est moins puissant que le gauche, chargé de l'envoyer dans la grande circulation.

Quatre valvules empêchent le sang de retourner en arrière : son trajet est unidirectionnel.

Remarque : chez l'embryon, il n'y a pas de respiration pulmonaire : l'oxygénation du sang s'effectue par le placenta. Ainsi, coeurs droit et gauche sont en communication via un orifice de la paroi interauriculaire, habituellement refermé solidement chez l'adulte. Cependant, une faiblesse de cette paroi, généralement sans conséquence dans la vie courante, persisterait chez 25 à 35% des individus. On parle alors de foramen ovale perméable (FOP)

2- Un moteur "3 temps"

Les parties droites et gauches du coeur fonctionnent de manière synchrone en 3 temps :

1- La diastole = relâchement total du coeur qui permet de faire rentrer le sang dans les oreillettes puis dans les ventricules.

2- La systole auriculaire = contraction des oreillettes pour chasser le sang dans les ventricules.

3- La systole ventriculaire = contraction des ventricules pour expulser le sang dans les artères, les valvules auriculo-ventriculaires étant fermées.

Pb : Le muscle en activité consomme beaucoup plus de dioxygène que le muscle au repos. Quelles adaptations du système circulatoire permettent de livrer davantage de dioxygène aux muscles pendant un effort ?

II- Les adaptations circulatoires à l'effort physique

1- Adaptations du débit cardiaque

Extrait du manuel SVT 2nde Bordas 2004 p122

VES (Volume d'éjection systolique) = 66.6 mL --> 1 battement cardiaque

Fréquence cardiaque moyenne = 70 battements par minute

D'où : Débit cardiaque moyen = 70 × 66.6 = 4662 mL/min soit la quantité totale de sang environ d'un adulte (5L)

De 5 L/min au repos, le débit cardiaque peut passer à 25 L/min au cours d'un effort intense grâce à :

- Une accélération de la fréquence cardiaque (de 70 à 200 bat/min)

- Une augmentation du volume d'éjection systolique (VES)

 

2- Adaptations circulatoires périphériques

Au repos, le débit sanguin musculaire représente environ 15 à 20 % du débit sanguin total, soit 0,8 L.min-1 en moyenne.
Au cours d'un effort physique intense, ces valeurs peuvent représenter jusqu'à 80 % du débit sanguin total, soit environ 24 L.min-1. Dans ce dernier cas, les muscles étant privilégiés, le débit sanguin destiné à l'appareil digestif va diminuer. Cette adaptation va permettre aux muscles de recevoir l'apport énergétique nécessaire à leur bon fonctionnement.
De même, au cours d'un repas, le débit sanguin viscéral est augmenté. Il est donc fortement souhaitable aux sportifs de respecter un délai suffisant après un repas et le début d'un effort intense, ceci afin d'éviter la compétition entre l'appareil digestif et les muscles actifs !
On parle alors de redistribution sanguine ou de balance circulatoire.
Enfin, lorsqu'il fait chaud, une partie du volume sanguin disponible va être dirigé vers la peau afin de lutter contre la chaleur. Dans ce cas, la performance s'amoindrie du fait d'un moins bon débit sanguin musculaire. C’est pourquoi il est fortement conseillé de boire pendant un effort physique afin de permettre au corps d’évacuer la chaleur par la sueur (au moment de son évaporation) !

Source : http://physiomax.com.free.fr/d_sanguin.htm

Extrait du manuel SVT 2nde Bordas 2004 p123

L'apport préférentiel de dioxygène aux muscles en activité résulte :

- De la disposition en parallèle des organes.

- D'une vasoconstriction variable des vaisseaux sanguins

Certains animaux sont capables de stocker de grandes quantité de dioxygène (ex : le phoque de Weddell) ce qui leur permet des prouesses sportives (plongée de 70 minutes jusqu'à 500m de profondeur!)

 

Pb : Notre organisme dispose d'un faible stock de dioxygène (contrairement au phoque par exemple) mais il possède des réserves de nutriments (glycogène, graisses). Le facteur limitant est donc bien le dioxygène pour libérer de l'énergie : comment l'organisme parvient-il à satisfaire les besoins croissants en dioxygène des muscles en plein effort ?

Hypothèses : en respirant plus fort, plus vite...

III- Lien entre effort et activité respiratoire

1- Mesure du débit ventilatoire au repos et après un effort

TP- EXAO avec le module Spirographie de l'atelier scientifique (noté)

Un effort physique s'accompagne d'une augmentation du débit ventilatoire qui résulte de :

- l'accélération de la fréquence ventilatoire (= rythme respiratoire), c'est à dire du nombre de mouvements respiratoires par minute.

- l'accroissement du volume d'air courant, c'est à dire le volume d'air échangé (inspiré ou expiré) à chaque mouvement respiratoire.

Pb : Comment peut-on vérifier expérimentalement que l'augmentation du débit ventilatoire permet une augmentation de la consommation de dioxygène ?

2- Mesure de l'intensité respiratoire au repos et après un effort

TP-EXAO avec le module Métabolisme de l'atelier scientifique (noté)

La courbe du haut affiche des valeurs cumulées : plus on respire, plus le taux d'O2 dans l'enceinte diminue ou inversement plus le volume d'O2 consommé augmente!

Le graphique en bâtons montre l'évolution de l'intensité respiratoire, c'est à dire cette même consommation en litre par heure et par kg. Au repos, l'IR est constante. Elle croit fortement pendant un effort et décroit pendant la récupération.

Remarque : Souvent le terme de VO2 est exprimée en L/min/kg et remplace alors le terme d'intensité respiratoire... (donc attention aux unités!)

Pb : Les sportifs de haut niveau passent souvent des tests en milieu hospitalier pour mesurer leur capacité physique.  La VO2 max permet souvent de faire le point sur l'efficacité de l'entrainement chez les jeunes sportifs. Que signifie cette valeur et comment peut-on la mesurer ?

3- Une limite physiologique à l'effort : la VO2 max

Remarque : les élèves ne font que trois paliers et l'effort demandé est toujours sous maximal (5, 10, 15 flexions)

Activité : construction du graphique de la VO2 en fonction de la fréquence cardiaque et estimation de la VO2 max par extrapolation à partir de la fréquence cardiaque théorique maximale

Remarque : ces mesures expérimentales sont très approximatives pour plusieurs raisons
1- L’étalonnage de la sonde O2 n’est pas parfait et la valeur affichée est très discutable…
2- L’effort a été réalisé sans échauffement le matin à 9h !
3- La valeur de la VO2 max est obtenue par extrapolation à partir d’une fréquence max théorique !

Si un sujet est soumis à des efforts de puissance croissante, sa consommation de dioxygène augmente jusqu'à une valeur maximale qu'il ne peut dépasser : c'est la VO2 max. La mesure directe de la VO2 max ne peut être réalisée qu'en milieu hospitalier sous contrôle de médecins du sport car le sportif doit fournir un effort très violent pour atteindre sa fréquence cardiaque maximale. En classe, il est possible de réaliser une mesure indirecte en construisant le graphe de la VO2 en fonction de la fréquence cardiaque et en calculant la fréquence cardiaque maximale théorique à partir de la formule : FCmax = 220 - âge. La VO2 max est variable d'une personne à une autre et dépend de nombreux facteurs : âge, sexe, facteurs génétiques. Elle peut être améliorée par l'entraînement jusqu'à 25 ans environ.