L'effort physique engendre des modifications physiologiques comme une fréquence ventilatoire plus importante, une fréquence cardiaque augmentée et une transpiration abondante. L'organisme consomme alors plus de dioxygène et de nutriments, c'est en particulier le cas des muscles qui effectuent les mouvements. L'organisation du cœur et de la circulation sanguine permettent de répondre à ces besoins. Les débits cardiaque et ventilatoire s'adaptent au cours d'un effort physique et les vaisseaux sanguins peuvent se contracter ou se dilater afin de réguler le volume sanguin perçu par les muscles durant l'effort.
L'utilisation du dioxygène et la consommation de glucose lors de l'effort
Les modifications de l'appareil respiratoire lors de l'effort
Au repos, les muscles de l'organisme consomment une certaine quantité de dioxygène (\ce{O2}). Lors d'un effort physique, la consommation en dioxygène de l'organisme augmente. On mesure celle-ci en terme de volume d'air consommé : V\ce{O2} (L.h-1.kg-1).
Plus l'effort est intense, plus le V\ce{O2} est élevé. Il existe cependant une limite : le V\ce{O2} peut augmenter jusqu'à une valeur maximale appelée {V\ce{O2}}_{max}.
La valeur {V\ce{O2}}_{max} est différente selon l'âge, le sexe et l'entraînement de l'individu.
V\ce{O2}
V\ce{O2} est le volume de dioxygène consommé par l'organisme pendant une certaine durée. Il peut être mesuré en volume absolu par unité de temps (en mL.min-1) ou en volume par unité de temps et par unité de masse de l'organisme (en mL.min-1.kg-1).
{V\ce{O2}}_{max}
Le {V\ce{O2}}_{max} est le volume maximal de dioxygène qu'un organisme peut consommer par unité de temps.
Par exemple, le biathlète français Martin Fourcade a un {V\ce{O2}}_{max} de 83 mL.min-1.kg-1.
Mise en évidence du {V\ce{O2}}_{max}
Après l'arrêt de l'effort, la consommation en \ce{O2} diminue. Elle retrouve progressivement sa valeur initiale au bout d'un certain temps, appelé "temps de récupération".
Dans le cas particulier de l'apnée, l'apport en \ce{O2} est nul car la personne n'inspire plus. L'organisme continue de fonctionner mais s'appauvrit donc en \ce{O2} car il est obligé de puiser dans ses réserves.
La succession des inspirations et expirations assure la ventilation pulmonaire, ce qui permet le renouvellement de l'air dans les poumons. Le dioxygène de l'air présent dans les alvéoles des poumons passe alors dans le sang qui le distribue aux cellules qui le consomment.
L'activité respiratoire se produisant dans une alvéole pulmonaire
Au cours de l'effort, les échanges gazeux sont modifiés. Les muscles fonctionnant plus, ils ont besoin d'un apport plus important en dioxygène et rejettent une quantité plus grande de dioxyde de carbone, ce qui permet d'assurer les besoins de l'organisme.
La fréquence respiratoire (FR), qui correspond au nombre d'inspirations/expirations par minute, augmente. Le volume d'air prélevé à chaque inspiration, appelé volume courant (VC), augmente également.
Les mouvements ventilatoires lors de l'effort et au repos
Le débit respiratoire, qui est le produit de ces deux paramètres, augmente.
Débit respiratoire
\text{Débit respiratoire}=\text{Fréquence respiratoire}\times \text{Volume courant}
Avec :
- Le débit respiratoire en L.min-1
- La fréquence respiratoire en nombre de mouvements respiratoires.min-1
- Le volume courant en L/mouvement respiratoire
La consommation de nutriments lors de l'effort
Chaque cellule de l'organisme consomme normalement une certaine quantité de nutriments au repos, en effectuant la respiration cellulaire.
Nutriment
Un nutriment est une petite molécule qui provient de la digestion des aliments. Les nutriments sont constitués dans le corps par l'ensemble des composés organiques et inorganiques nécessaires à l'organisme pour entretenir la vie. Le processus d'assimilation des nutriments est la nutrition.
Le glucose (sucre) est un nutriment à forte valeur énergétique.
Une fois produit dans le système digestif, un nutriment passe dans le sang où il est véhiculé jusqu'aux cellules qui le consomment. Le glucose, les acides gras et les acides aminés sont des nutriments.
Lors d'un effort physique, la consommation en nutriments par les cellules augmente. En particulier le glucose et les acides gras, qui constituent les principaux nutriments des cellules musculaires. Le glucose est présent dans les muscles sous forme de glycogène, qui est un assemblage de nombreuses molécules de glucose. Si l'effort est prolongé, les cellules utilisent aussi les réserves lipidiques (graisses). Pour cela, l'activité physique est un moyen de combattre le surpoids et l'obésité.
La respiration cellulaire consiste en une réaction d'oxydation des molécules de glucose, permettant la production d'énergie (chaleur) et de déchets, selon l'équation suivante :
Équation de la réaction se produisant dans les cellules lors de la respiration cellulaire
Le système cardio-vasculaire
Le cœur et les vaisseaux sanguins
Le cœur est un muscle possédant des cavités, divisé en deux parties indépendantes selon un axe bilatéral. Chacune de ces parties (droite et gauche) est composée de deux cavités, une oreillette et un ventricule, qui communiquent entre elles par des valvules auriculo-ventriculaires.
On retrouve deux types de vaisseaux sanguins que sont :
- Les veines, dans lesquelles le sang est ramené depuis les organes vers le cœur.
- Les artères, dans lesquelles le sang circule depuis le cœur vers les organes.
Le cœur est raccordé à ce système de vaisseaux. Les veines caves viennent se terminer au niveau de l'oreillette droite et des veines pulmonaires au niveau de l'oreillette gauche. Le ventricule gauche, lui, est raccordé à l'artère aorte tandis que le ventricule droit est raccordé à l'artère pulmonaire.
De plus, le cœur possède une irrigation qui lui est propre : des vaisseaux sanguins dits coronaires assurent l'irrigation du tissu cardiaque.
On pense souvent que dans les artères circule du sang riche en dioxygène, et dans les veines du sang appauvri en dioxygène. Ce n'est pas vrai dans tous les cas.
Les vaisseaux sanguins amenant le sang du cœur vers les organes sont des artères. Au contraire, les vaisseaux sanguins amenant le sang vers le cœur sont des veines, il n'y a donc aucune corrélation avec l'oxygénation du sang. L'artère pulmonaire, par exemple, véhicule du sang appauvri en dioxygène.
Le cœur et son organisation vasculaire
Le cœur agit comme une pompe, ce qui permet de mettre en mouvement le sang, assurant sa circulation dans l'ensemble de l'organisme.
Cette pompe fonctionne grâce à des contractions successives des différentes parties le constituant. Ainsi, au cours d'un cycle cardiaque, les oreillettes se contractent en premier : c'est la systole auriculaire. Lors de cette étape, le sang est chassé des oreillettes vers les ventricules. Ensuite les ventricules se contractent : c'est la systole ventriculaire, qui permet au sang de partir des ventricules vers les artères. Enfin, oreillettes et ventricules se relâchent : c'est la diastole, au cours de laquelle le sang venant des veines permet le remplissage des oreillettes.
Cycle cardiaque
Le cycle cardiaque, aussi appelé révolution cardiaque, correspond au mouvement mécanique de pompe du cœur. Chacun de ces mouvements comprend une phase de contraction, la systole, et une phase de relâchement, la diastole. Cela est répété à l'infini pendant toute la vie d'un individu.
La circulation sanguine
La circulation pulmonaire
La circulation pulmonaire est le trajet qu'effectue le sang, du cœur vers les poumons et des poumons vers le cœur.
- Le sang appauvri en \ce{O2} et enrichi en \ce{CO2} est amené du cœur aux poumons par les artères pulmonaires.
- Dans les poumons, le sang s'enrichit en \ce{O2} et s'appauvrit en \ce{CO2} grâce aux échanges gazeux se produisant dans les alvéoles pulmonaires.
- Puis, ce sang revient vers le cœur par les veines pulmonaires.
La circulation du sang s'effectue toujours dans le même sens grâce aux valves auriculo-ventriculaires qui empêchent le reflux de sang des ventricules vers les oreillettes et aux valvules sigmoïdes qui empêchent le reflux des artères vers les ventricules.
La circulation générale
La circulation générale est le trajet qu'effectue le sang du cœur vers les organes (à l'exception des poumons) et son retour, des organes vers le cœur.
Le sang, riche en dioxygène et en nutriments, va vers les organes, où il s'appauvrit en dioxygène \ce{O2} et en nutriments et s'enrichit en dioxyde de carbone \ce{CO2}. Le sang retourne alors au cœur par les veines.
Ainsi, le trajet du sang s'effectue selon une double circulation disposée en série : la circulation pulmonaire et la circulation générale. Le cœur droit reçoit le sang désoxygéné et riche en déchets (\ce{CO2}) provenant des organes. La contraction cardiaque permet de propulser ce sang dans les poumons où la recharge en dioxygène se réalise et le \ce{CO2} est évacué. Puis le cœur gauche reçoit ce sang de nouveau oxygéné et pauvre en déchets. Enfin, la contraction cardiaque assure la propulsion de ce sang vers les organes. Les organes étant disposés parallèlement, chacun recevra une quantité maximale de dioxygène.
La double circulation en série de la circulation sanguine
Les modifications de l'activité cardio-vasculaire en réponse à l'effort physique
La variation du diamètre des vaisseaux
Au repos, la majeure partie du volume sanguin est distribuée aux viscères (organes internes). Lors d'un effort physique, les muscles ont besoin de consommer plus de dioxygène. Le volume sanguin est alors redistribué en faveur des muscles.
Ces variations de volume de sang fourni aux différents organes sont notamment possibles grâce à la disposition en parallèle des vaisseaux sanguins au sein de la circulation générale. Au cours de l'effort physique, il se produit une vasoconstriction des vaisseaux sanguins irriguant les viscères, et à l'inverse une vasodilatation des vaisseaux sanguins irriguant les muscles. Cela permet de moduler le débit sanguin vers les organes qui ont le plus besoin de sang riche en dioxygène au moment de l'effort.
Vasoconstriction
La vasoconstriction est le fait de diminuer le diamètre d'un vaisseau par contraction des muscles de la paroi de ce vaisseau. À ce moment-là, le sang peut passer en moins grande quantité et le débit sanguin diminue donc dans ce vaisseau.
Vasodilatation
La vasodilatation est le fait d'augmenter le diamètre d'un vaisseau par relâchement des muscles de la paroi de ce vaisseau. Cela provoque une augmentation du débit sanguin dans ce vaisseau.
Débit sanguin
Le débit sanguin est le volume de sang traversant un organe ou un vaisseau par unité de temps.
Un muscle en activité peut consommer 50 fois plus de dioxygène que lorsqu'il est au repos. Par conséquent, le débit sanguin peut être multiplié par 5.
La variation des paramètres cardiaques
Lors d'un effort physique, l'activité musculaire augmente. S'ensuit alors une augmentation de l'activité cardiaque afin de propulser plus de sang en moins de temps vers les muscles dont la demande en oxygène est plus forte.
Cette augmentation de l'activité cardiaque s'observe à différents niveaux :
- Une augmentation du nombre de battements cardiaques par minute, c'est-à-dire de la fréquence cardiaque (FC).
- Une augmentation de la puissance des contractions cardiaques, permettant d'expulser un plus grand volume de sang par minute. Ce volume s'appelle l'éjection systolique (VES).
Les augmentations de la fréquence cardiaque et du volume sanguin expulsé à chaque contraction provoquent une augmentation du débit cardiaque. De même, lors d'un effort physique, on observe également en conséquence de ces variations cardiaques une augmentation de la pression artérielle.
Débit cardiaque
\text{Débit cardiaque} = {\text{Fréquence cardiaque }} \times {\text{Volume d'éjection systolique}}
Avec :
- Débit cardiaque en L.min-1
- Fréquence cardiaque en nombre des battements.min-1
- Volume d'éjection systolique en L pour une systole ventriculaire
Pression artérielle
La pression artérielle est la force exercée par le sang contre la paroi des artères. C'est donc une pression. Toutefois, celle-ci se mesure traditionnellement en mmHg (millimètres de mercure) et non en Pascal (Pa).
L'ensemble des modifications physiologiques associées à un effort permettent un meilleur approvisionnement des muscles en dioxygène et en nutriments.
Un bon état cardiovasculaire et ventilatoire est donc indispensable à la pratique d'un exercice physique car un dysfonctionnement du système cardio-pulmonaire pourrait mettre en danger la vie du sportif.
Les coronaires sont les vaisseaux qui irriguent le cœur. Si leur diamètre vient à se réduire (à cause de dépôts lipidiques) cela peut entraîner un infarctus du myocarde (destruction du muscle cardiaque). La réalisation d'une activité physique régulière permet de protéger l'organisme des maladies et accidents cardiovasculaires.