L'adaptation de l'organisme à l'effort

Cours complet · SVT (terminale), chapitre 12 · terminale, spécialité sciences de la vie et de la Terre

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L'activité physique sollicite intensément l'organisme. Lors d'un effort musculaire, les muscles squelettiques voient leurs besoins en dioxygène ( $O X_{2}$ ) et en nutriments fortement augmenter, tandis que la production de déchets métaboliques, notamment le dioxyde de carbone ( $CO X_{2}$ ), s'accroît. Pour répondre à ces nouvelles exigences, l'organisme met en place un ensemble d'adaptations coordonnées : le système cardiovasculaire augmente le débit sanguin et le redistribue vers les organes actifs, le système ventilatoire intensifie les échanges gazeux, le tout sous le contrôle conjoint du système nerveux autonome et du système hormonal.

Ce chapitre étudie les mécanismes physiologiques qui permettent à l'organisme de s'adapter à l'effort, les bénéfices d'un entraînement régulier, ainsi que les limites de ces adaptations et les dangers liés aux pratiques abusives, en particulier le dopage.

12.1 Les besoins accrus des muscles à l'effort

12.1.1 La consommation musculaire de dioxygène et de nutriments

Lors d'un effort, les cellules musculaires intensifient leur activité contractile, ce qui nécessite un apport important d'énergie sous forme d'ATP. Cette énergie est produite majoritairement par la respiration cellulaire, qui consomme du dioxygène et des nutriments (glucose, acides gras).

Définition 12.1Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est l'ensemble des réactions d'oxydation des nutriments organiques, en présence de dioxygène, aboutissant à la production d'ATP. Le bilan simplifié de l'oxydation complète du glucose s'écrit :

$C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2} ⟶ 6 CO X_{2} + 6 H X_{2} O + e ˊ nergie (ATP + chaleur)$

Plus l'effort est intense, plus la consommation de dioxygène augmente. On définit ainsi un indicateur clé de la capacité physique d'un individu.

Définition 12.2

VO X_{2}

max

La $VO X_{2}$ max (consommation maximale de dioxygène) est le volume maximal de dioxygène qu'un organisme peut consommer par unité de temps lors d'un effort intense. Elle s'exprime en $mL \cdot mi n^{- 1} \cdot k g^{- 1}$ et constitue un bon indicateur de l'aptitude à l'effort d'endurance.

Exemple 12.3Augmentation des besoins à l'effort

Au repos, un adulte consomme environ $0, 3 L \cdot mi n^{- 1}$ de $O X_{2}$ . Lors d'un effort intense, cette consommation peut atteindre $3$ à $4 L \cdot mi n^{- 1}$ chez un sujet entraîné, soit une multiplication par un facteur 10 ou plus. Parallèlement, la production de $CO X_{2}$ et de chaleur s'élève dans les mêmes proportions.

12.1.2 Le devenir des déchets métaboliques

Lorsque l'apport en dioxygène devient insuffisant pour couvrir les besoins (effort très intense), les cellules musculaires complètent leur production d'ATP par la fermentation lactique, qui produit de l'acide lactique (lactate).

Définition 12.4Fermentation lactique

La fermentation lactique est une voie métabolique anaérobie (sans dioxygène) qui dégrade partiellement le glucose en produisant du lactate et une faible quantité d'ATP. Son bilan simplifié est :

$C X_{6} H X_{12} O X_{6} ⟶ 2 C X_{3} H X_{6} O X_{3} + e ˊ nergie (ATP)$

L'accumulation de lactate participe à la fatigue musculaire.

12.2 Les adaptations cardiovasculaires

12.2.1 L'augmentation du débit cardiaque

Pour acheminer davantage de dioxygène et de nutriments vers les muscles, le cœur augmente le volume de sang qu'il éjecte par unité de temps : c'est le débit cardiaque.

Définition 12.5Débit cardiaque

Le débit cardiaque ( $Q_{c}$ ) est le volume de sang éjecté par le cœur (ventricule gauche) en une minute. Il est le produit de la fréquence cardiaque ( $F_{c}$ ) par le volume d'éjection systolique ( $V_{es}$ ) :

$Q_{c} = F_{c} \times V_{es}$

où $Q_{c}$ s'exprime en $L \cdot mi n^{- 1}$ , $F_{c}$ en battements par minute ( $bpm$ ) et $V_{es}$ en litres (ou millilitres) par battement.

Proposition 12.6Variation du débit cardiaque à l'effort

À l'effort, le débit cardiaque augmente fortement grâce à deux mécanismes complémentaires :

l'augmentation de la fréquence cardiaque ( $F_{c}$ peut passer d'environ $70 bpm$ au repos à $180$ – $200 bpm$ ) ;
l'augmentation du volume d'éjection systolique ( $V_{es}$ peut passer d'environ $70 mL$ à $120$ – $150 mL$ ), car le cœur se remplit et se vide plus efficacement.

Le débit cardiaque peut ainsi être multiplié par 4 à 6, passant d'environ $5 L \cdot mi n^{- 1}$ au repos à $20$ – $30 L \cdot mi n^{- 1}$ à l'effort.

Méthode : Calculer un débit cardiaque

Pour déterminer un débit cardiaque :

Identifier la fréquence cardiaque $F_{c}$ (en $bpm$ ) et le volume d'éjection systolique $V_{es}$ .
Convertir $V_{es}$ en litres si nécessaire ( $1 mL = 1 0^{- 3} L$ ).
Appliquer la formule $Q_{c} = F_{c} \times V_{es}$ .
Exprimer le résultat en $L \cdot mi n^{- 1}$ avec une unité cohérente.

12.2.2 La redistribution sanguine

L'augmentation du débit cardiaque ne suffit pas : encore faut-il orienter le sang prioritairement vers les organes qui en ont le plus besoin. C'est le rôle de la redistribution sanguine.

Définition 12.7Redistribution sanguine

La redistribution sanguine est la modification de la répartition du débit cardiaque entre les différents organes lors de l'effort. Le débit sanguin destiné aux muscles actifs et au cœur augmente, tandis que celui destiné aux organes peu sollicités (système digestif, reins) diminue.

Cette redistribution repose sur la vasomotricité : la vasodilatation des artérioles des muscles actifs (sous l'effet de facteurs locaux comme la baisse du $O X_{2}$ et la hausse du $CO X_{2}$ ) augmente le débit local, tandis que la vasoconstriction des artérioles des organes au repos le réduit.

Exemple 12.8Répartition du débit sanguin musculaire

Au repos, les muscles squelettiques reçoivent environ 20 % du débit cardiaque, soit environ $1 L \cdot mi n^{- 1}$ . À l'effort maximal, ils peuvent en recevoir plus de 80 %, soit jusqu'à $20 L \cdot mi n^{- 1}$ : c'est l'effet combiné de l'augmentation du débit total et de la redistribution.

12.3 Les adaptations ventilatoires

L'appareil respiratoire doit fournir le surcroît de dioxygène et éliminer l'excès de dioxyde de carbone. Pour cela, le débit ventilatoire augmente.

Définition 12.9Débit ventilatoire

Le débit ventilatoire ( $D_{v}$ ) est le volume d'air inspiré (ou expiré) par les poumons en une minute. Il est le produit de la fréquence ventilatoire ( $F_{v}$ , nombre de cycles respiratoires par minute) par le volume courant ( $V_{c}$ , volume d'air mobilisé à chaque cycle) :

$D_{v} = F_{v} \times V_{c}$

$D_{v}$ s'exprime en $L \cdot mi n^{- 1}$ .

Proposition 12.10Variation du débit ventilatoire à l'effort

À l'effort, le débit ventilatoire augmente grâce à :

l'augmentation de la fréquence ventilatoire (de $12$ – $15$ cycles $\cdot mi n^{- 1}$ au repos à plus de $40$ – $50$ à l'effort) ;
l'augmentation du volume courant (de $0, 5 L$ au repos à $2$ – $3 L$ à l'effort).

Le débit ventilatoire peut ainsi passer d'environ $6$ – $8 L \cdot mi n^{- 1}$ au repos à plus de $100 L \cdot mi n^{- 1}$ à l'effort intense.

12.4 Le contrôle nerveux et hormonal des adaptations

Les adaptations cardiovasculaires et ventilatoires sont coordonnées et finement régulées par le système nerveux autonome et par des hormones.

12.4.1 Le contrôle nerveux

Définition 12.11Système nerveux autonome

Le système nerveux autonome (ou végétatif) contrôle de façon involontaire le fonctionnement des organes. Il comprend deux composantes antagonistes :

le système sympathique, dont l'activation accélère la fréquence cardiaque, augmente le débit ventilatoire et provoque la vasoconstriction de certains territoires ;
le système parasympathique, qui ralentit la fréquence cardiaque (action dominante au repos).

Proposition 12.12Boucle de régulation à l'effort

La régulation met en jeu une boucle réflexe :

des capteurs (chimiorécepteurs sensibles au $CO X_{2}$ et au $O X_{2}$ , barorécepteurs sensibles à la pression artérielle) détectent les variations du milieu intérieur ;
ils transmettent l'information par des nerfs sensitifs à un centre intégrateur situé dans le bulbe rachidien ;
celui-ci ajuste, via les nerfs sympathique et parasympathique, l'activité des effecteurs (cœur, vaisseaux, muscles respiratoires).

12.4.2 Le contrôle hormonal

Définition 12.13Adrénaline

L'adrénaline est une hormone sécrétée par les glandes médullosurrénales lors d'un effort ou d'un stress. Transportée par le sang, elle agit sur le cœur (augmentation de $F_{c}$ et de $V_{es}$ ), sur les vaisseaux et favorise la libération de glucose, préparant l'organisme à l'effort.

Exemple 12.14Action conjointe nerveuse et hormonale

Dès le début d'un sprint, l'activation du système sympathique accélère immédiatement le cœur, tandis que la libération d'adrénaline prolonge et amplifie cette accélération. Les deux mécanismes, l'un rapide (nerveux) et l'autre plus durable (hormonal), assurent une réponse efficace et coordonnée.

12.5 Entraînement et amélioration des performances

Un entraînement physique régulier modifie durablement l'organisme et améliore ses capacités d'adaptation à l'effort.

Proposition 12.15Effets de l'entraînement d'endurance

L'entraînement régulier en endurance entraîne notamment :

une augmentation du volume et de la puissance du cœur (hypertrophie physiologique), donc un plus grand volume d'éjection systolique ;
une diminution de la fréquence cardiaque de repos (bradycardie de l'athlète) ;
une augmentation de la $VO X_{2}$ max ;
une meilleure vascularisation des muscles (densité capillaire accrue) et un nombre plus élevé de mitochondries dans les fibres musculaires.

Exemple 12.16Le cœur du sportif entraîné

Chez un sportif d'endurance entraîné, la fréquence cardiaque de repos peut descendre à $45$ – $50 bpm$ , contre $70 bpm$ chez un sédentaire. Pour un même débit cardiaque de repos d'environ $5 L \cdot mi n^{- 1}$ , le volume d'éjection systolique est donc plus important : le cœur travaille plus efficacement et se fatigue moins.

12.6 Limites et effets néfastes

12.6.1 Les limites physiologiques

Les capacités d'adaptation de l'organisme ne sont pas illimitées : la $VO X_{2}$ max, le débit cardiaque maximal et la fréquence cardiaque maximale ( $F_{c m a x} \approx 220 - a ˆ ge$ ) constituent des plafonds. Un effort dépassant les capacités de l'organisme conduit à l'épuisement, voire à des accidents (malaise, accident cardiaque).

12.6.2 Le dopage

Définition 12.17Dopage

Le dopage est l'utilisation de substances ou de procédés interdits visant à augmenter artificiellement les performances physiques. Il constitue une tricherie et présente de graves dangers pour la santé.

Exemple 12.18Quelques pratiques dopantes et leurs dangers

L'EPO (érythropoïétine) stimule la production de globules rouges et augmente le transport de $O X_{2}$ , mais épaissit le sang et accroît le risque de thrombose et d'accident cardiovasculaire.
Les stéroïdes anabolisants augmentent la masse musculaire mais provoquent des troubles hormonaux, cardiaques et hépatiques.
L'autotransfusion sanguine augmente le nombre de globules rouges, avec des risques infectieux et circulatoires.

12.6.3 Les effets néfastes sur la santé

Si une activité physique modérée et régulière est bénéfique pour la santé, des excès (surentraînement, dopage, effort inadapté) peuvent être dangereux : lésions articulaires et musculaires, troubles du rythme cardiaque, fragilisation du système immunitaire. L'écoute de son corps et un encadrement adapté sont essentiels.

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