Deuxième partie : Sciences expérimentales et technologie - SVT-

Deuxième partie : Sciences expérimentales et technologie
- SVTAu cours d’un effort musculaire intense d’endurance comme l’ascension d’une côte par un
cycliste, les muscles doivent produire davantage d’énergie nécessaire au travail de contraction
musculaire.
On cherche à définir comment les muscles en activité intense et soutenue produisent davantage
d’énergie ?
1. A l’aide des informations fournies par le document 1 et en vous appuyant sur vos
connaissances, vous présenterez les phénomènes liés à l’activité énergétique du muscle.
Pour cela :
a. Interprétez les résultats d’analyses de sang pour déterminer quels sont les échanges
effectués entre le muscle et le sang.
b. En vous appuyant sur les données du tableau du document 1, indiquez comment
varient ces échanges lors de l’effort physique.
c. D’après vos connaissances, quel phénomène est mis en jeu ici ? Quel est le but de
celui-ci ?
2. Dans cette partie, on cherche à comprendre comment l’organisme s’adapte au passage à
l’effort d’endurance.
a. En vous appuyant sur le document 2, montrez comment évolue l’utilisation et
l’origine des nutriments énergétiques entre repos et effort d’endurance.
b. En utilisant les données du document 3, calculez et indiquez sur votre copie, les
valeurs des 2 grandeurs suivantes : débit ventilatoire et débit cardiaque au repos et à
l’effort.
c. Quel est l’intérêt pour l’organisme des variations constatées des débits pulmonaire
et cardiaque dans le cas d’un effort physique d’endurance ?
3. Le document 4 présente le débit sanguin reçu par quelques organes au repos et à l’effort.
a. Quelles informations la lecture du graphique du document 4 apporte-t-elle ?
b. Que constatez-vous en comparant la variation du débit cardiaque calculé (document
3) à celle du débit sanguin musculaire donnée par le graphique du document 4 ?
c. Citez 2 dispositifs anatomiques qui permettent d’expliquer les différences de débits
constatés au niveau des organes, entre repos et activité physique.
Le document 5 présente l’expérience du garrot (1628) de William Harvey.
d. Décrivez cette expérience et énoncez ce qu’elle a permis de comprendre dans le
cadre de la circulation veineuse ?
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1
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dd
DOCUMENT 1
A l’aide de prises de sang, on a mesuré les quantités de dioxygène (O2), de dioxyde de
carbone (CO2) et de glucose dans 1 mL de sang entrant dans un muscle et dans 1 mL de sang
sortant du même muscle. Ces mesures ont été effectuées au repos et durant un effort physique.
Sens de circulation du sang au Composition chimique
niveau du muscle
du sang
Sang entrant dans le muscle
Dioxygène
Dioxyde de carbone
Glucose
Sang sortant du muscle
Dioxygène
Dioxyde de carbone
Glucose
Au repos
A l’effort
200 µL
490 µL
900 µg
150 µL
530 µL
870 µg
200 µL
490 µL
900 µg
20 µL
700 µL
500 µg
DOCUMENT 2
Repos
Effort
d’endurance
Dépense énergétique de l’organisme au repos et au cours d’un effort d’endurance et…
Types de nutriments énergétiques consommés dans ces 2 situations.
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2
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d
DOCUMENT 3
Les tableaux suivants donnent quelques caractéristiques de paramètres physiologiques au repos et
pendant un effort musculaire.
Conditions
Repos
Activité physique
Conditions
Repos
Activité physique
Air courant
0,5 L
1,2 L
Volume d’éjection
systolique
80 mL
110 mL
Fréquence ventilatoire
14 cycles.mn-1
28 cycles.mn-1
Débit ventilatoire
Fréquence cardiaque
Débit cardiaque
65 cycles.mn-1
140 cycles.mn-1
DOCUMENT 4
Débit sanguin au niveau de divers organes dans 2 situations : repos / activité physique
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3
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DOCUMENT 5
Relativement à la circulation sanguine, William HARVEY formule l’hypothèse suivante :
« Les veines ramènent constamment le sang de chaque membre dans le cœur.»
Expérience du garrot- Descriptif :
La compression du bras par un garrot peu serré en A fait ressortir les veines de l'avant-bras et
entraîne le gonflement des valvules B, C et D en aval du garrot, au niveau de l'avant-bras (figure 1).
La pression du doigt sur la veine dilatée en H force le sang à évacuer la veine entre le point où l'on
appuie et la valvule suivante située en direction du cœur (figure 2).
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4
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Eléments de réponse
1.
1.a.
A l’aide de prises de sang, on a mesuré les quantités de dioxygène (O2), de dioxyde de carbone (CO2)
et de glucose dans 1 mL de sang entrant dans un muscle et dans 1 mL de sang sortant d’un muscle.
Ces mesures ont été effectuées au repos et durant un effort physique.
On constate qu’1 mL de sang entrant dans un muscle au repos ou à l’effort contient 200 μL d’O2,
490 μL de CO2 et 900 μL de glucose.
On observe qu’1 mL de sang sortant d’un muscle au repos contient 150 μL d’O2, 530 μL de CO2 et
870 μL de glucose.
On note qu’1mL de sang sortant d’un muscle à l’effort contient 20 μL d’O2, 700 μL de
CO2 et 500 μL de glucose.
Au repos comme à l’effort, le sang entrant dans le muscle contient toujours plus d’O2 et de glucose
mais toujours moins de CO2 que le sang sortant du muscle.
On en conclut que les cellules musculaires consomment de l’O2 et du glucose alors qu’elles rejettent
du CO2.
1.b.
Au repos, les cellules musculaires :
- consomment 200– 150 = 50 μL d’O2 et 900-870 = 30 μg de glucose par mL de sang les
irrigant
- rejettent 530-490 = 40 μL de CO2 dans chaque mL de sang les irrigant.
Durant l’effort, elles :
- consomment 200–20 = 180 μL d’O2 et 900– 500 = 400 μg de glucose par mL de sang les
irrigant
- rejettent 700– 490 = 210 μL de CO2 dans chaque mL de sang les irrigant.
On en déduit que les cellules musculaires consomment plus d’O2 (x 3,6) et de glucose (x 13,3) et
rejettent plus de CO2 (x 5,2) durant un effort physique qu’au repos.
1.c.
Un organe qui consomme de l’O2 et du glucose et qui rejette du CO2 réalise la respiration (cellulaire).
Ce phénomène permet de libérer de l’énergie utile aux cellules constituant l’organe.
C6H12O6 (glucose) + 6 O2 + 6 H2O
6 CO2 + 12 H2O + énergie (chaleur + ATP)
2.
2.a.
Au repos, les besoins énergétiques des muscles sont satisfaits par utilisation du glucose et des acides
gras circulants.
Lors d’une activité d’endurance, les besoins énergétiques accrus sont satisfaits en utilisant outre les 2
types de nutriments précédents, le glycogène et les triglycérides musculaires.
Le glycogène est hydrolysé en glucose, les triglycérides en acides gras et glycérol.
Les besoins énergétiques nécessaires à la réalisation des activités d’endurance sont satisfaits grâce à
l’oxydation de nutriments mis en réserve dans les muscles sous la forme de molécules de stockage :
le glycogène pour le glucose, les triglycérides pour les acides gras.
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5
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2.b.
Conditions
Air courant
Fréquence ventilatoire
Débit ventilatoire
Repos
0,5 L
14 cycles.mn-1
7 L.mn-1
Activité physique
1,2 L
28 cycles.mn-1
33,6 L.mn-1
Conditions
Volume d’éjection
systolique
Fréquence cardiaque
Débit cardiaque
Repos
80 mL
65 cycles.mn-1
5,2 L.mn-1
Activité physique
110 mL
140 cycles.mn-1
15,4 L.mn-1
2.c.
Au cours de l’activité physique le débit ventilatoire augmente d’un facteur voisin de 5 grâce à une
augmentation du volume courant (x environ 2,5) et de la fréquence ventilatoire (x2). De même, le
débit cardiaque triple suite à une augmentation du volume d’éjection systolique (x~1,5) et de la
fréquence cardiaque (x~2).
Au repos, le ventricule droit éjecte environ 5,2 litres de sang par minute vers les poumons (débit
cardiaque droit) et le ventricule gauche 5,2 litres vers les organes autres que les poumons (débit
cardiaque gauche égal au débit cardiaque droit).
A l’effort, cette valeur augmente (15,4 L.min-1) : cela signifie que le sang circule plus vite. Le trajet
poumons-organes et le trajet organes-poumons se fait donc beaucoup plus rapidement.
Au repos, le débit ventilatoire est de 7 litres d’air par minute et à l’effort, il passe à 33 litres.
La ventilation sert à renouveler l’air dans les alvéoles pulmonaires, à remplacer l’air appauvri en O2
par de l’air plus riche. Si le débit ventilatoire augmente cela signifie que l’air est davantage renouvelé
dans les alvéoles : ainsi chaque minute davantage de molécules d’O2 peuvent passer dans le sang.
Cette modification est donc fondamentale pour la réalisation d’un effort car une fois dans le sang, les
molécules d’O2 sont transportées jusqu’aux muscles qui en ont besoin.
3.
3.a.
On constate que le débit sanguin dans les muscles est de 2 L.min– 1 au repos et de 22 L.min– 1.
Dans ce cas, les muscles reçoivent 11 fois plus de sang à l’effort qu’au repos.
Le fait qu’ils reçoivent un plus grand débit sanguin est favorable à l’effort puisque cela signifie qu’il
leur arrive chaque minute un plus grand nombre de molécule d’O2.
On constate que parmi les organes cités dans le graphique, les muscles et le myocarde voient leur
débit sanguin augmenter à l’effort alors que celui du cerveau n’est pas modifié et que celui des reins
diminue.
3.b.
Le débit cardiaque augmente d’un facteur 3 (document 3) alors que le débit sanguin dans le tissu
musculaire est multiplié par 11 (document 4).
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6
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Se pose donc le problème de comment expliquer qu’un organe puisse recevoir 11 fois plus de sang
par minute lors d’une activité physique par rapport au repos alors que le débit cardiaque, dans le
même temps, n’a que triplé ?
Le document 4, dans une démarche scientifique, permet de poser un problème scientifique :
document de problématisation d’une situation. Il devrait être accompagné de documents de résolution
pour permettre la formulation d’une démarche explicative.
3.c.
Ces documents de résolution permettraient de déduire :
- 1er dispositif :
Les organes de la circulation générale sont disposés en dérivation les uns par rapport aux autres mais
chacun d’eux est en série avec les poumons. Grâce à cette disposition, tous les organes reçoivent du
sang oxygéné en provenance des poumons. Cette disposition permet également, lors de l’effort,
qu’une partie du sang soit détournée de certains organes qui nécessitent peu d’O2 à ce moment-là,
pour être acheminée vers les muscles qui en ont davantage besoin.
- 2ème dispositif :
Cette réorientation préférentielle du sang vers les muscles qui travaillent (à l’exception notoire du
cerveau) est permise, au niveau de la circulation générale en dérivation, par la dilatation (au niveau
des muscles squelettiques) ou la contraction spécifique (au niveau des reins, par exemple) des
sphincters pré-capillaires (petits muscles circulaires), à l’image de robinets que l’on ouvre ou ferme.
3.d.
L’expérience du garrot démontre que les valvules veineuses s’opposent au reflux du sang (en
appuyant sur la veine au point H, le sang est chassé en direction du cœur, au-delà de la valvule O
puisque le segment veineux OG est distendu et la valvule O s’oppose au retour sanguin puisque le
segment veineux HO est alors vide).
Harvey démontre ainsi, que les valvules veineuses anti-reflux favorisent le retour du sang vers le
cœur, dans un système circulatoire clos.
Les valvules veineuses ont une fonction primordiale au niveau des membres inférieurs de l’Homme,
car en s’opposant aux effets de la gravité, elles contribuent au retour du sang au cœur. La mise en jeu
des valvules est indissociable de la contraction des muscles des membres qui compriment les veines
du tissu musculaire et chassent le sang vers le cœur.
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