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Pendant l'effort, les paramètres physiologiques sont modifiés

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Objectif(s)

Connaître les mécanismes de la respiration.
Mettre en évidence les relations entre intensité physique et activité cardiaque et respiratoire.
Comment l’organisme s’adapte-t-il à un effort de plus en plus intense ?

Notre organisme fonctionne en réalisant en permanence des échanges avec son environnement :
- Il prélève du dioxygène et rejette du CO₂ dans l’air au cours de la respiration.
- Il puise les nutriments dans les aliments.

Ces échanges permettent d’assurer un métabolisme de base indispensable au fonctionnement de tous les organes. Dans certaines situations : activité physique, stress, … l’organisme va devoir répondre à un effort plus intense.

1. La variation des échanges respiratoires

La respiration consiste en une succession de mouvements respiratoires comprenant chacun une inspiration et une expiration. L’inspiration est l’action de faire entrer de l’air dans nos poumons. L’expiration est l’action de faire sortir l’air de nos poumons.

Approche expérimentale :

On soumet un individu à un effort physique de plus en plus intense et on mesure à l’aide d’un spiromètre sa fréquence respiratoire (nombre de mouvements respiratoires par unité de temps) ainsi que le volume d’air qui entre et sort des poumons.

Ceci nous permet de déterminer son débit ventilatoire (volume d’air qui circule dans les poumons par unité de temps).

Résultats :

On constate qu’au cours de l’effort la fréquence respiratoire augmente.

Le volume courant (volume d’air renouvelé dans les poumons à chaque mouvement respiratoire) augmente aussi. On peut alors calculer le débit ventilatoire de l’individu :

Débit ventilatoire = fréquence respiratoire × volume courant

Document 1 : Débit ventilatoire en fonction de la puissance de l’effort.

On constate que plus la puissance de l’effort est importante, plus le débit ventilatoire est élevé. Ceci signifie que l’individu fait circuler une plus grande quantité d’air dans ses poumons lors d’un effort physique.

Analysons la composition chimique de cet air qui circule dans les poumons.

Approche expérimentale :

L’individu réalise l’exercice physique en respirant dans un spiromètre relié à une sonde oxymétrique permettant de mesurer la quantité d'O₂ présent dans l’air qui circule.

Document 2 : Quantité de dioxygène dans l’air circulant dans les poumons au cours d’un effort physique

On constate que l’air qui quitte les poumons est moins riche en O₂ que l’air qui pénètre dans les poumons. La quantité d'O₂prélevée augmente avec l’intensité de l’effort physique.

Conclusion :

Lors d’un effort physique, l’organisme s’adapte en faisant pénétrer plus d’air dans les poumons, ce qui lui permet de prélever une plus grande quantité d'O₂ en un minimum de temps.

2. La variation de l'activité cardiaque

Le cœur est un muscle qui se contracte et se relâche selon une fréquence cardiaque moyenne de 70 battements par minute.
La phase de relâchement correspond à la phase de remplissage du cœur ou diastole.

La phase de contraction correspond à la phase d’éjection du sang ou systole.

Approche expérimentale :

On soumet un individu à un effort d’intensité croissante et on mesure sa fréquence cardiaque ainsi que la pression artérielle systolique et la pression artérielle diastolique à l’aide d’un tensiomètre.

Résultats :
Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau suivant :

Puissance de l'effort (en W)	0	50	100	150
Fréquence cardiaque (en batt.min^-1)	85	98	136	150
Pression systolique (en cm de Hg)	12	14	15,8	17
Pression diastolique (en cm de Hg)	8	8,2	8,2	8,3

Tableau 1 : Mesures de différents paramètres cardiaques au cours d’un effort physique.

On constate que la fréquence cardiaque augmente fortement avec l’intensité de l’effort. La pression systolique augmente aussi alors que la pression diastolique reste constante.

La pression systolique rend compte de la force d’éjection du sang vers les organes.

Aussi, lorsqu’un individu réalise un effort physique, son cœur bat plus vite et propulse plus fortement le sang dans la circulation générale.

Il est possible d’évaluer le volume d’éjection systolique (VES, quantité de sang qu’un ventricule éjecte à chaque contraction) par échographie.
On peut alors calculer le débit cardiaque selon la formule suivante :

Débit cardiaque = fréquence cardiaque x VES

Les résultats obtenus chez un individu au cours d’un exercice d’intensité croissante sont reportés dans le tableau suivant :

Puissance de l'effort (en W)	0	50	100	150	200	250
Fréquence cardiaque (en batt.min^-1)	50	80	92	125	130	132
Volume d'éjection systolique (en mL)	70	128	132	132	128	112
Débit cardiaque (en L.min^-1)	3,5	10,24	12,14	16,5	16,64	14,78

Tableau 2 : Variation du débit cardiaque chez un individu au cours d’un effort physique.

On constate que la fréquence cardiaque augmente au cours de l’effort physique jusqu’à atteindre une valeur maximale. Cette valeur est propre à l’individu et peut être modifiée par l’entraînement.

Le volume d’éjection systolique est plus élevé lors d’un effort physique qu’au repos. Par contre, il est le même quelle que soit l’intensité de l’effort. Ce paramètre est strictement dépendant de la morphologie du cœur de l’individu. Il peut lui aussi être amélioré par l’entraînement.

Ainsi, le débit cardiaque augmente fortement lors d’un effort physique jusqu’à atteindre une valeur maximale. Cette augmentation du DC va être à l’origine de l’augmentation de la pression artérielle. Une plus grande quantité de sang va quitter le cœur en direction :

- des poumons où il va se recharger en O₂.

- des organes qui travaillent lors de l’effort physique et qui consomment une plus grande quantité de O₂.

L'essentiel

Lors d’un effort physique, les paramètres respiratoires et cardiaques vont être modifiés :
- la fréquence respiratoire augmente et donc par conséquent le débit ventilatoire. Ainsi, une plus grande quantité de O₂ pénètre dans les poumons où vient se recharger le sang.
- la fréquence cardiaque et le débit cardiaque augmentent. Une plus grande quantité de sang circule rapidement dans les organes dont les poumons.

La combinaison de ces modifications conduit à une meilleure prise en charge du dioxygène par le sang au niveau des poumons et à une meilleure distribution de ce gaz aux organes qui travaillent.
En retour, le sang se charge efficacement en CO₂ au niveau des organes et le ramène aux poumons pour l'expirer.