La Respiration : Les modifications du systEme respiratoire au cours de l'effort

I - La consommation d'oxygène au cours d'un effort physique

A) Mesures expérimentales

On peut mesurer expérimentalement la consommation d’O2 par exemple grâce à un dispositif ExAO, c’est-à-dire grâce à une expérience assistée par ordinateur.

Le principe est de souffler dans un appareil appelé spiromètre, dans lequel une sonde à oxygène évalue la consommation d’O2, l’air est analysé en passant sur une électrode puis une interface se charge de transformer les signaux de l’électrode en message électrique, l’ordinateur n’a plus qu’à afficher les mesures.

Nous avons donc réalisé cette expérience, dont vous pouvez trouver le résumé vidéo ci-dessous :

Nous allons maintenant comparer et interpréter les deux courbes obtenues grâce à l'expérience réalisée lors de la vidéo.

Voici tout d’abord ce que nous donne le logiciel Logger Pro pour cette expérience dont le sujet-test est Ronan :

On peut remarquer sur le panneau de gauche diverses informations, notamment la masse de Ronan de 60 kg, le volume d’air expiré étant égal à 36,9L.

Sur le graphique du milieu, correspondant au volume d’oxygène consommé (en L) en fonction du temps (en secondes, ici 300 secondes = 5 minutes), on peut remarquer que le volume d’oxygène consommé de T= 0 sec à T= 100 sec est très proche de zéro, on ne voit quasiment pas la courbe sur cet intervalle de temps.

Ensuite on remarque que la pente de le courbe change, elle monte beaucoup plus rapidement sur un intervalle de temps entre T= 100 sec et T= 200 sec, le volume d’oxygène consommé passant de 0.1 à 0.4 litres d’oxygène consommé. Ce changement d’allure de courbe correspond au début de l’effort physique mené par Ronan.

De plus, nous avons accès sur le graphique du bas à l’intensité respiratoire (en L/h/kg) en fonction du temps et, ce graphique nous permet d’affirmer que l’intensité respiratoire de Ronan a considérablement augmenté pendant l’effort de Ronan car elle passe d’une valeur inférieure à 0.1 L/h/kg à environ 0.3 litres/heure/kg.

Sur l’intervalle entre T= 200 sec et T= 300 sec, on peut remarquer que Ronan est entré dans la phase de récupération, la courbe du volume d’oxygène arrêtant de grimper et tendant à se stabiliser, ainsi que l’intensité respiratoire baissant radicalement comme on peut l’observer sur les graphiques ci-dessus.

On a donc pu mettre en évidence les modifications respiratoires qui s’effectuent au cours de l’effort physique mené par Ronan, grâce à cette transcription informatique du volume d’oxygène consommé ainsi que de l’intensité respiratoire sur une période de 5 minutes.

Une fois ceci compris, nous allons maintenant regarder les courbes de cette expérience cette fois réalisée par Matthieu afin de les comparer avec celles de Ronan :

On peut remarquer sur le panneau de gauche des informations comme la masse, ici égale à 53kg ainsi que le volume expiré, ici égal à 47,4 L. On peut remarquer que les courbes de Matthieu mettent en évidence quasiment les mêmes modifications que celles énoncées ci-dessus.

Mais, à la différence de ce qu’on a pu énoncer précédemment, on peut remarquer que le volume d’oxygène consommé de Matthieu augmente sur une durée plus longue, et augmentant jusqu’à 0.6 litres à T= 200 sec. De plus l’intensité respiratoire de Matthieu augmente à T=120 sec jusqu’à environ 0.4L/h/kg.

Ces différences par rapport à la courbe de Ronan soulignent les différences qu’il existe entre les deux individus, Ronan consommant moins d’oxygène que Matthieu pour un même effort, et ayant une intensité respiratoire plus faible ainsi qu’une capacité à récupérer d’un effort intense mieux développée.

A partir de ces expériences nous avons conclu qu’au cours de l’effort physique, les besoins en dioxygène de l’organisme croissent, ce qui provoque donc une augmentation de la vitesse de consommation, que l’on appelle le volume d’oxygène consommé ou VO2.

B) Limites à la consommation d'oxygène

Lorsque l’on réalise un effort d’intensité croissante le volume d’oxygène consommé augmente jusqu’à atteindre une valeur maximale notée VO2 max. Il s’agit donc de la consommation maximale de dioxyègne par minute et par kg.

Il est en relation avec le nombre de globules rouges présents dans le sang, les globules rouges étant les transporteurs de dioxygène. Un individu est à VO2 max lorsque sa consommation d’oxygène n’augmente plus pour un exercice d’intensité supérieure et lorsque sa fréquence cardiaque atteint sa valeur maximale (FC max).

Le VO2 max est variable selon différents facteurs : le sexe, l’âge, le niveau d’entraînement ainsi que le type d’activité pratiqué. Le tableau ci-dessous représente les variations du VO2 max selon ces facteurs.


Le VO2 max varie avec l’âge et baisse régulièrement à partir de 30 ans, du fait d’une moindre capacité cardio-vasculaire, d’une baisse de la capacité oxydative des muscles ainsi que d’une fonte musculaire.

Dans ce tableau on peut remarquer que pour un même sport pratiqué, l’homme a un VO2 max supérieur à celui de la femme.

On remarque aussi que parmi ces sports plusieurs se distinguent comme par exemple le ski de fond, qui correspond tant chez l’homme que chez la femme, au sport dont les VO2 max sont les plus élevées : 57-70 mL/min/kg pour la femme et 60-80 mL/min/kg pour l’homme.

On remarque par le biais de ce tableau que ce paramètre est très important pour les sports d’endurance (course de fond, cyclisme..) car il détermine un potentiel physiologique pour améliorer ses performances, c’est-à-dire la capacité réelle qu’a notre organisme de pouvoir se développer jusqu’à cette valeur maximale.

Chez les adultes jeunes, on peut observer des VO2 max de l’ordre de 45 mL/min/kg pour les hommes et 35-40 mL/min/kg pour les femmes, tandis que chez les athlètes très endurants, il est de l’ordre de 70-80mL/min/kg.

En cherchant à atteindre cette valeur, on procèdera alors successivement à un effort de type aérobie puis anaérobie, mais ce dernier est limité à quelques minutes, en fonction du niveau d’entraînement, de 5 à 12 minutes.

Cette endurance est limitée à cause de l’épuisement du glycogène musculaire (voir Physiologie) mais aussi par l’acidité intracellulaire (voir filière anaérobie lactique).

II - LeS MODIFICATIONS DU système respiratoire A L'ACTIVITE PHYSIQUE

A) Introduction : description de l'appareil respiratoire

L’organisme fonctionne naturellement de façon aérobie, c’est à dire en présence d’oxygène, qui est prélevé dans l’air puis introduit dans l’organisme grâce à l’appareil respiratoire.

L’appareil respiratoire comprend le nez, le pharynx, le larynx, la trachée et les poumons (on peut les observer sur le schéma ci-contre).

A l‘intérieur des poumons c’est une série de conduits comme les bronches et les bronchioles qui mène aux alvéoles où s’effectuent les échanges gazeux avec le sang.

Les poumons sont enfermés dans une enceinte close : la cage thoracique, étant constituée d’éléments osseux et de muscles.

La ventilation se fait par un cycle de deux mouvements distincts de la cage thoracique, que l’on appelle cycle respiratoire :

 

 

 

 

B) Notion de volume d'air déplacé

Il est possible d’analyser à l’aide d’un spiromètre la distribution de l’air inspiré dans les voies aériennes. On distingue :



A la fin d’une expiration forcée, il reste toujours un volume d’air dans les poumons, c’est le volume résiduel qui est de l’ordre de 1,2 litres.

La somme du volume de réserve inspiratoire, du volume courant et du volume de réserve expiratoire définis ci-dessus est la capacité vitale, elle est de l’ordre de 4,5L. (3L + 0.5 L + 1L)

 

 

 

 

C) Echanges de gaz et pression alvéolaire

Nous allons tenter de comprendre comment s’effectuent les échanges des gaz dans l’organisme ainsi que les différentes pressions régnant dans les alvéoles pulmonaires.

Les trois grandes étapes de la respiration sont :





 

 

 

Quelles sont les pressions qui règnent dans les alvéoles pulmonaires ?

La pression régnant dans les alvéoles pulmonaires en fin d’inspiration et d’expiration est celle du niveau de la mer, c’est-à-dire 760 mm de mercure, appelée aussi pression atmosphérique. Elle varie légèrement dans les alvéoles pendant l’inspiration et l’expiration :

Cette légère baisse de pression au début de l’inspiration entraine donc une entrée d’air dans les poumons, afin que la pression alvéolaire soit égale à la pression atmosphérique.

Pendant l’expiration, on peut là aussi constater que le volume de notre cage thoracique diminue, de ce fait la pression augmente de 2 à 3mm de mercure, c’est l’inverse de ce qu’il se passait pendant l’inspiration. L’air est donc chassé vers l’extérieur.

 

 

 

 

D) Les modifications de la ventilation pulmonaire

La ventilation pulmonaire correspond donc à l’entrée et à la sortie d’air des poumons grâce aux inspirations et aux expirations précédemment définies.

On peut mesurer les volumes d’air à l’aide d’un volumètre, et ainsi connaître le volume d’air qui entre dans les poumons à chaque inspiration, c’est-à-dire le volume courant ainsi que le volume d’air qui sort des poumons à chaque expiration.

Le débit ventilatoire (VE) est égal au volume courant par la fréquence ventilatoire par minute (ou nombre de cycles respiratoires par minute). Cette fréquence est de l’ordre de 12 cycles par minute au repos. Le débit ventilatoire normal est donc égal à 500ml*12 = 6L/min

Au repos on obtient alors :

Ventilation d'un individu au repos, ici, VC= Volume Courant ; E= Expiration ; I= Inspiration


Tandis qu’à l’exercice on observe les modifications suivantes :

Ventilation d'un individu pendant un effort physique


Sur ces deux graphiques, on peut observer la forme sinusoïdale, on remarque que pour déterminer le volume courant d’une inspiration il faut faire la différence entre le point le plus bas correspondant au début de l’inspiration et le point le plus haut, correspondant à la fin de celle-ci.

On peut donc déduire de ces graphiques qu’il y a bien des modifications de la ventilation pulmonaire qui s’effectuent, puisque l’on passe de 6 cycles respiratoires sur 20 secondes soit 18 cycles par minute au repos à 9 cycles respiratoires sur 20 secondes soit 27 cycles par minute à l’effort.

De plus on observe des modifications au niveau du volume courant, égal à 0,5L soit 500mL au repos et égal à 0.9L soit 900mL à l’effort.

Grâce à la formule énoncée ci-dessus, nous sommes maintenant en mesure de calculer le débit ventilatoire :

On remarque donc que le débit ventilatoire a été quasiment multiplié par trois lors de l’effort, ce qui confirme qu’il y a bien des modifications respiratoires lors de la pratique d’un effort physique.   

 

 


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