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L'organisme à l'effort physique

Seconde · SVT · Corps humain et santé

Corps humain et santé

Les adaptations de l'organisme à l'effort

Quand tu montes un escalier en courant, ton cœur s'accélère et ta respiration s'emballe. Ce n'est pas un hasard : le muscle en activité consomme beaucoup plus d'énergie qu'au repos, et tout l'organisme se réorganise pour le ravitailler. Ce chapitre montre comment le système cardio-vasculaire et le système respiratoire travaillent ensemble, de façon coordonnée, pour approvisionner les muscles.

Ce que le muscle consomme. Une cellule musculaire contracte ses fibres grâce à l'énergie libérée par la respiration cellulaire. Elle a donc besoin en permanence de deux choses apportées par le sang : du dioxygène (O2) et des nutriments, en particulier du glucose. En retour, elle rejette dans le sang du dioxyde de carbone (CO2) et de la chaleur.
Bilan de la respiration cellulaire, en toutes lettres :
glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau + énergie
Plus l'effort est intense, plus cette réaction tourne vite, donc plus les besoins en O2 et en glucose augmentent.

Les adaptations cardio-vasculaires

Pour livrer plus d'O2 et de glucose aux muscles, le cœur augmente son débit de deux façons complémentaires : il bat plus vite (FC augmente) et il éjecte plus de sang à chaque battement (VES augmente). Comme le débit est le produit des deux, l'effet se multiplie : le débit cardiaque peut être multiplié par 4 à 6 entre le repos et un effort intense.
En parallèle, le sang est redistribué : les vaisseaux des muscles se dilatent (vasodilatation) tandis que ceux des organes moins sollicités, comme l'appareil digestif, se resserrent (vasoconstriction). Au repos, les muscles reçoivent environ 20 % du débit cardiaque ; à l'effort intense, ils en reçoivent plus de 80 %.

GrandeurAu repos (valeur typique)À l'effort intenseÉvolution
Fréquence cardiaque70 battements/min180 battements/min× 2,5 environ
Volume d'éjection systolique70 mL130 mL× 2 environ
Débit cardiaque4,9 L/min23,4 L/min× 5 environ
Fréquence ventilatoire15 mouvements/min45 mouvements/min× 3 environ
Volume courant0,5 L2,5 L× 5 environ
Débit ventilatoire7,5 L/min112,5 L/min× 15 environ

Les adaptations ventilatoires. Le dioxygène de l'air entre dans le sang au niveau des alvéoles pulmonaires, de minuscules sacs entourés de capillaires sanguins. Leur paroi est extrêmement fine et leur surface totale est immense (environ 100 m²) : ce sont deux caractéristiques d'une bonne surface d'échange. Le CO2 fait le trajet inverse, du sang vers l'air alvéolaire.
À l'effort, l'organisme respire plus vite (FR augmente) et plus profondément (VC augmente). Là encore, les deux effets se multiplient, et le débit ventilatoire peut être multiplié par 10 à 15.

Corps humain et santé

Régulation, VO2max et limites de l'effort

La boucle de régulation de la pression artérielle

Les adaptations vues dans la première fiche ne sont pas volontaires : personne ne décide consciemment d'accélérer son cœur. Elles sont automatiques, pilotées par le système nerveux grâce à une boucle de régulation.

La pression artérielle doit rester dans une plage étroite : trop basse, les organes ne sont plus irrigués ; trop haute, les vaisseaux sont abîmés. C'est une variable régulée.
Le mécanisme fonctionne en trois temps. Des capteurs, les barorécepteurs, situés dans la paroi de l'aorte (crosse aortique) et des artères carotides, mesurent en permanence la pression. Ils envoient un message nerveux à un centre nerveux situé dans le bulbe rachidien. Celui-ci compare la valeur mesurée à une valeur de référence, puis envoie une réponse aux effecteurs : le cœur et les vaisseaux sanguins.

Deux nerfs opposés relient ce centre nerveux au cœur : le nerf sympathique (orthosympathique), qui accélère le rythme cardiaque et augmente la force de contraction, et le nerf parasympathique, qui le ralentit. Le cœur possède son propre stimulateur, le nœud sinusal : il bat même sans commande nerveuse, mais c'est le système nerveux qui ajuste sa vitesse aux besoins.

SituationMessage détectéNerf sollicitéRéponse du cœurEffet sur la pression
Passage brusque de la position couchée à deboutBaisse de pression détectéeSympathiqueAccélération (FC augmente)La pression remonte
Fin d'un effort, retour au calmePression trop élevéeParasympathiqueRalentissement (FC diminue)La pression redescend
Début d'un effort physiqueBesoins musculaires accrusSympathiqueFC et VES augmententDébit sanguin musculaire accru

La VO2max, indicateur de la capacité d'effort. La consommation de dioxygène (VO2) est le volume d'O2 consommé par l'organisme en une minute. Elle augmente avec l'intensité de l'effort... jusqu'à un plafond : la VO2max. Au-delà, l'intensité peut encore augmenter, mais la consommation d'O2 ne suit plus : l'organisme puise alors dans des voies qui ne consomment pas de dioxygène, et la fatigue arrive vite.
On peut relier VO2 et débit cardiaque : chaque litre de sang cède une certaine quantité d'O2 aux organes (la différence artério-veineuse). Ainsi VO2 = Qc × différence artério-veineuse. Pour comparer des personnes de corpulences différentes, on rapporte la VO2max à la masse : elle s'exprime alors en mL/min/kg.

  • Les effets de l'entraînement d'endurance. Un entraînement régulier modifie durablement l'organisme, et améliore la santé en général : il diminue les risques de maladies cardio-vasculaires, de surpoids et de diabète de type 2.
  • Cœur plus volumineux et plus puissant : VES plus élevé, au repos comme à l'effort.
  • Fréquence cardiaque de repos plus basse, pour un débit cardiaque de repos inchangé : c'est la bradycardie du sportif, qui peut descendre sous 50 battements/min.
  • Récupération plus rapide après l'effort : le rythme cardiaque revient plus vite à sa valeur de repos.
  • Réseau capillaire musculaire plus dense, donc meilleure extraction du dioxygène.
  • VO2max augmentée, mais dans une limite en partie fixée par le patrimoine génétique.

Exercices corrigés

  1. Quelle relation permet de calculer le débit cardiaque ?

    • A.Débit cardiaque = fréquence cardiaque × volume d'éjection systoliqueBonne réponse
    • B.Débit cardiaque = fréquence cardiaque + volume d'éjection systolique
    • C.Débit cardiaque = fréquence cardiaque / volume d'éjection systolique
    • D.Débit cardiaque = fréquence ventilatoire × volume courant

    Réponse : A — Débit cardiaque = fréquence cardiaque × volume d'éjection systolique

    Le débit cardiaque est le volume de sang éjecté en une minute. Comme le cœur éjecte un volume VES à chaque battement et qu'il bat FC fois par minute, on multiplie : Qc = FC × VES. Une addition n'aurait aucun sens (on ajouterait des battements à des millilitres !). La dernière proposition est la formule du débit ventilatoire, à ne pas confondre.

  2. Pendant un effort intense, vers quels organes le sang est-il prioritairement redistribué ?

    • A.Vers les muscles squelettiques en activitéBonne réponse
    • B.Vers l'appareil digestif, qui doit fournir plus de glucose
    • C.Vers les reins, pour éliminer les déchets plus vite
    • D.Vers la peau uniquement, pour évacuer la chaleur

    Réponse : A — Vers les muscles squelettiques en activité

    Les vaisseaux des muscles actifs se dilatent (vasodilatation) tandis que ceux des organes moins sollicités, dont l'appareil digestif, se resserrent (vasoconstriction). Résultat : la part du débit cardiaque destinée aux muscles passe d'environ 20 % au repos à plus de 80 % à l'effort intense. C'est justement l'appareil digestif qui est défavorisé — d'où l'inconfort quand on court juste après un repas.

  3. Au repos, un élève a une fréquence cardiaque de 60 battements/min et un volume d'éjection systolique de 80 mL. Quel est son débit cardiaque ?

    • A.140 mL/min
    • B.4,8 L/minBonne réponse
    • C.48 L/min
    • D.0,75 L/min

    Réponse : B — 4,8 L/min

    Qc = FC × VES = 60 × 80 = 4800 mL/min. Pour convertir en litres, on divise par 1000 : 4800 / 1000 = 4,8 L/min. C'est une valeur de repos tout à fait classique (environ 5 L/min). Répondre 140 mL/min, c'est avoir additionné 60 + 80 au lieu de multiplier ; 48 L/min est une erreur de conversion d'un facteur 10 ; 0,75 L/min vient d'une division (60/80).

  4. Pendant une course, un coureur effectue 30 mouvements respiratoires par minute avec un volume courant de 2 L. Quel est son débit ventilatoire ?

    • A.15 L/min
    • B.32 L/min
    • C.6 L/min
    • D.60 L/minBonne réponse

    Réponse : D — 60 L/min

    Qv = FR × VC = 30 × 2 = 60 L/min. À comparer aux 7,5 L/min du repos (15 × 0,5) : le débit ventilatoire est ici multiplié par 8. Répondre 32 L/min, c'est additionner au lieu de multiplier ; 15 L/min correspond à une division (30/2) ; 6 L/min n'a pas de sens ici. Vérifie toujours que ton résultat est cohérent : à l'effort, le débit ventilatoire doit être bien supérieur à celui du repos.

  5. Une athlète de 60 kg a une VO2max de 4,2 L/min. Quelle est sa VO2max rapportée à sa masse ?

    • A.70 mL/min/kgBonne réponse
    • B.14 mL/min/kg
    • C.252 mL/min/kg
    • D.0,07 mL/min/kg

    Réponse : A — 70 mL/min/kg

    On convertit d'abord en millilitres : 4,2 L/min = 4200 mL/min. Puis on divise par la masse : 4200 / 60 = 70 mL/min/kg. C'est une très bonne valeur, typique d'une athlète d'endurance (la moyenne d'un adulte non entraîné se situe vers 35 à 40 mL/min/kg). Répondre 14, c'est avoir divisé 60 par 4,2 ; répondre 252, c'est avoir multiplié au lieu de diviser ; 0,07 vient d'un oubli de la conversion L → mL.

  6. Chez une personne entraînée en endurance depuis plusieurs années, que constate-t-on au repos ?

    • A.Un débit cardiaque de repos beaucoup plus élevé que la moyenne
    • B.Une fréquence cardiaque de repos plus élevée que la moyenne
    • C.Un volume d'éjection systolique plus faible que la moyenne
    • D.Une fréquence cardiaque de repos plus basse, avec un volume d'éjection systolique plus élevéBonne réponse

    Réponse : D — Une fréquence cardiaque de repos plus basse, avec un volume d'éjection systolique plus élevé

    L'entraînement muscle le cœur et agrandit ses ventricules : chaque battement éjecte plus de sang, donc le VES augmente. Or les besoins de l'organisme au repos ne changent pas : le débit cardiaque de repos reste d'environ 5 L/min. Comme Qc = FC × VES, si le VES augmente et que Qc reste constant, la FC doit forcément diminuer. C'est la bradycardie du sportif, qui peut descendre sous 50 battements/min : un signe d'efficacité, pas de fatigue.

  7. Une personne se lève brusquement : sa pression artérielle chute légèrement. Quel est l'enchaînement correct de la boucle de régulation ?

    • A.Bulbe rachidien → barorécepteurs → cœur : la fréquence cardiaque diminue
    • B.Barorécepteurs → cœur → bulbe rachidien : la fréquence cardiaque augmente
    • C.Barorécepteurs → bulbe rachidien → nerf sympathique → cœur : la fréquence cardiaque augmenteBonne réponse
    • D.Barorécepteurs → bulbe rachidien → nerf parasympathique → cœur : la fréquence cardiaque augmente

    Réponse : C — Barorécepteurs → bulbe rachidien → nerf sympathique → cœur : la fréquence cardiaque augmente

    L'ordre d'une boucle de régulation est toujours capteur → centre intégrateur → effecteur. Ici : les barorécepteurs détectent la baisse de pression, informent le bulbe rachidien, qui répond via le nerf sympathique en accélérant le cœur. Le débit augmente, donc la pression remonte : la réponse s'oppose à la variation détectée, c'est une rétroaction négative. Attention au piège de la dernière option : le parasympathique ralentit le cœur, il ne peut pas faire augmenter la FC.

  8. Lors d'un effort, le débit cardiaque d'un sportif atteint 20 L/min et chaque litre de sang cède 150 mL de dioxygène aux organes. Quelle est sa consommation de dioxygène ?

    • A.0,13 L/min
    • B.3 L/minBonne réponse
    • C.30 L/min
    • D.150 L/min

    Réponse : B — 3 L/min

    On utilise VO2 = débit cardiaque × différence artério-veineuse : 20 L/min × 150 mL/L = 3000 mL/min, soit 3 L/min. Fais attention aux unités : les litres de sang se simplifient et il reste des millilitres de dioxygène par minute, qu'il faut convertir en litres. Répondre 30 L/min reviendrait à consommer un volume d'O2 supérieur au volume de sang qui le transporte, ce qui est impossible ; 0,13 L/min vient d'une division (20/150).

  9. Entre le repos et l'effort, la fréquence cardiaque d'un élève est multipliée par 3 et son volume d'éjection systolique par 2. Par combien son débit cardiaque est-il multiplié ?

    • A.Par 2
    • B.Par 3
    • C.Par 5
    • D.Par 6Bonne réponse

    Réponse : D — Par 6

    Comme Qc = FC × VES, les deux facteurs se multiplient entre eux : le débit est multiplié par 3 × 2 = 6. Vérifions avec des nombres concrets : au repos 60 × 70 = 4200 mL/min ; à l'effort (60 × 3) × (70 × 2) = 180 × 140 = 25 200 mL/min ; et 25 200 / 4200 = 6. L'erreur classique est d'additionner les deux coefficients (3 + 2 = 5) : c'est faux, car le débit est un produit, pas une somme. C'est justement parce que les deux adaptations se multiplient que le débit cardiaque peut être multiplié par 5 ou 6 à l'effort intense.

  10. Un athlète de 75 kg atteint à l'effort maximal une fréquence cardiaque de 200 battements/min et un volume d'éjection systolique de 150 mL. Chaque litre de sang cède alors 150 mL de dioxygène. Quelle est sa VO2max rapportée à sa masse ?

    • A.40 mL/min/kg
    • B.45 mL/min/kg
    • C.50 mL/min/kg
    • D.60 mL/min/kgBonne réponse

    Réponse : D — 60 mL/min/kg

    Procède par étapes. 1) Débit cardiaque : Qc = 200 × 150 = 30 000 mL/min, soit 30 L/min. 2) Consommation de dioxygène : VO2max = 30 L/min × 150 mL/L = 4500 mL/min, soit 4,5 L/min. 3) Rapportée à la masse : 4500 / 75 = 60 mL/min/kg. Une valeur élevée, cohérente avec un athlète entraîné. L'erreur fréquente est d'oublier la conversion mL → L au moment de multiplier par la différence artério-veineuse : on obtient alors un résultat 1000 fois trop grand.

  11. De quoi une cellule musculaire a-t-elle besoin en permanence pour se contracter ?

    • A.De dioxyde de carbone et d'eau
    • B.De dioxygène uniquement
    • C.De dioxygène et de nutriments, notamment du glucoseBonne réponse
    • D.De chaleur apportée par le sang

    Réponse : C — De dioxygène et de nutriments, notamment du glucose

    La contraction musculaire consomme de l'énergie libérée par la respiration cellulaire : glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau + énergie. Il faut donc les deux réactifs, l'O2 ET le glucose. Le CO2 et l'eau sont des produits rejetés, pas des besoins. Et la chaleur est produite par le muscle, elle ne lui est pas apportée.

  12. Dès les premières secondes d'un effort physique, que fait la fréquence cardiaque ?

    • A.Elle reste stable, seul le volume d'éjection change
    • B.Elle augmenteBonne réponse
    • C.Elle diminue pour économiser le cœur
    • D.Elle augmente puis chute immédiatement sous sa valeur de repos

    Réponse : B — Elle augmente

    Les muscles réclament plus de dioxygène et de glucose : le cœur accélère pour augmenter le débit sanguin qui les irrigue. La FC augmente donc dès le début de l'effort, en même temps que le VES. Elle ne redescend sous la valeur de repos à aucun moment : après l'effort, elle revient progressivement à sa valeur initiale pendant la phase de récupération.

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Ce chapitre compte 35 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.

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