2nde Thème III : Traces écrites S. Dalaine Thème III : Corps humain
publicité
L Y C É E 2nde Thème III : Traces écrites S. Dalaine Thème III : Corps humain et santé : l’exercice physique (9 semaines) Chapitre 1 : Des modifications physiologiques à l’effort Introduction : La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science), étudie le rôle, le fonctionnement et l'organisation mécanique, physique et biochimique des organismes vivants et de leurs composants (organes, tissus, cellules et organites cellulaires). Au cours d’un effort, l’organisme humain montre une modification de certains facteurs mesurables qui vont permettre de quantifier l’effort produit. En effet, un muscle a besoin d’énergie pour fonctionner (se contracter et se relâcher). Or cette énergie est libérée via notamment la réaction métabolique de la respiration : consommation de glucose et de dioxygène, libération de CO2 d’eau et surtout d’énergie. Or le glucose et le dioxygène, réactifs de la respiration sont apportés aux muscles via la circulation sanguine. Problème : quels sont les paramètres mesurables qui évoluent au cours d’un effort physique ? Comment expliquer leur évolution ? Existe-t-il des limites dans les modifications de ces paramètres ? Nous aborderons dans un premier temps, via une démarche expérimentale, les paramètres évoluant au cours d’un effort physique. Puis nous évaluerons les limites possibles de ces paramètres et comprendrons dans quelle mesure l’entraînement permet de les améliorer. Nous envisagerons enfin, comment les organes au sein de l’organisme sont intégrés et permettent le bon fonctionnement global de l’organisme. I. Présentation des paramètres physiologiques évoluant au cours d’un effort physique Cf TP1 Un muscle a besoin d’énergie pour se contracter. Or cette énergie provient d’une réaction métabolique entre le dioxygène et les nutriments tels que le glucose. Le muscle est approvisionné en dioxygène et nutriments grâce à la circulation sanguine. Lors d’un effort physique, les muscles de l’organisme se contractent plus fortement et à plus grande fréquence. Ils dépensent donc davantage d’énergie. Ainsi, pendant l’effort, un certain nombre de paramètres (valeurs mesurables) augmentent. Parmi ces paramètres on peut citer: La fréquence cardiaque en pulsations.min-1 (mesurée via la prise du pouls et un chronomètre). Son augmentation implique une accélération de la circulation sanguine et donc un approvisionnement plus important en dioxygène des muscles en activité. Cf TP2 La fréquence respiratoire en cycles.min-1 (mesurée grâce à un montage ExAO et un embout spirométrique). Son augmentation permet d’oxygéner davantage le sang dont la circulation est augmentée via l’accroissement de la fréquence cardiaque. II. Les poumons et le cœur participent à l’adaptation de l’organisme à l’effort A. Le débit ventilatoire et l’apport d’air oxygéné au sang Cf TP2 Les poumons sont les organes responsables de l’entrée du dioxygène (au niveau des alvéoles pulmonaires) dans le sang. Ce dioxygène est nécessaire à la réalisation d’un effort musculaire. Ainsi, en plein effort on constate une augmentation de la fréquence respiratoire. La fréquence respiratoire est le nombre de cycles inspirations/expirations d’un organisme en une minute. Elle augmente proportionnellement à l’effort. De plus on peut également constater un soulèvement plus important de la cage thoracique en plein effort. En effet, les muscles de la cage thoracique (muscles intercostaux et diaphragme) se contractent plus intensément en plein effort. Les poumons solidaires de cette cage (via la plèvre) vont voir alors une augmentation de leur volume (en réalité augmentation du volume des alvéoles pulmonaires). Cf animation : http://www.biologieenflash.net/sommaire.html Le volume d’air qui circule dans les poumons à chaque inspiration/expiration est appelé volume courant (en L.cycle-1). Il augmente avec l’effort. Ainsi, l’organisme est adapté à l’effort. En effet, la contraction musculaire nécessite du dioxygène. Ce dioxygène est apporté au sang au niveau des alvéoles pulmonaires. Pour augmenter la quantité d’air arrivant au sang en une minute, deux paramètres interviennent: L Y C É E 2nde Thème III : Traces écrites S. Dalaine la fréquence respiratoire (en cycles.min-1) Le volume courant (en L.cycles-1) Le produit des deux est appelé débit ventilatoire (en L.min-1) B. Le débit cardiaque et l’apport de dioxygène sanguin aux muscles Cf TP3 Grâce à la dissection du cœur, on a mis en évidence que le cœur était un muscle divisé en 4 compartiments : deux oreillettes et deux ventricules. Un demi-cœur est fait d’une oreillette qui communique avec un ventricule via les valves auriculo-ventriculaires. Ces valves ne s’ouvrent que dans un sens. Ainsi, le cœur est parcouru par un sang circulant à sens unique. Le cloisonnement du cœur en deux évite au sang pauvre en O2 et celui enrichi en O2 de se mélanger. Le volume de sang éjecté par le cœur lorsqu’il se contracte, correspond au volume de sang contenu dans chaque ventricule. Cette contraction ventriculaire est appelée systole ventriculaire. Ainsi, le volume de sang éjecté par le cœur à chaque contraction est appelé volume d’éjection systolique, il vaut 70 mL.contraction-1 chez un homme adulte au repos. Le débit cardiaque (L.min-1) augmente pendant un effort pour deux raisons : la fréquence cardiaque (en contraction.min-1) augmente mais aussi le volume d’éjection systolique (en L.contraction-1). En effet, le cœur étant un muscle, le Vs augmente avec l’effort. C. La limite à la consommation de dioxygène : la VO2 max Cf TP 4 L’ExAO nous montre que la quantité de dioxygène consommée augmente avec l’effort jusqu’à atteindre une valeur seuil appelée : VO2 max. Cette valeur dépend : - De l’âge du sujet - De la quantité de globules rouges dans le sang - De la facilité avec laquelle le dioxygène traverse les alvéoles pour passer dans le sang D. La consommation de nutriment augmente aussi pendant l’effort Cf DM Q p208-209 Nathan La consommation de nutriments dépend aussi de l’effort fourni. Les muscles au travail utilisent des ressources énergétiques : des glucides (glucose sanguin et glycogène, forme de stockage du glucose dans le muscle) et des lipides (stockés dans le muscle). La réaction chimique entre ces nutriments et le dioxygène fournit de l’énergie nécessaire à l’activité des muscles. Ainsi, l’exercice physique est un des facteurs qui aident à lutter contre l’obésité. III. La disposition en parallèle de la circulation sanguine, permet une adaptation à l’effort Cf TP 5 La circulation sanguine est organisée en parallèle entre le cœur et les différents organes à approvisionner en sang riche en dioxygène. Cette structure permet de répartir le flux sanguin entre les organes et d’adapter le débit sanguin aux conditions du moment (cf doc 3 p.215 Nathan). En plein effort, le débit sera plus important dans les muscles aux dépens des organes digestifs par exemple. Cette distribution est permise par la présence d’une couche musculaire autour des vaisseaux apportant le sang oxygéné aux muscles (artériole). Cette couche musculaire peut se contracter, empêchant l’apport sanguin ou au contraire se relâcher favorisant le flux sanguin. Chapitre 2 : Une boucle de régulation nerveuse Problème : qu’est ce qui contrôle dans l’organisme le rythme cardiaque ? Comment le cœur fait-il pour « savoir » qu’il doit accélérer lors d’un effort physique ? Comment revient-il à une fréquence basale après l’effort ? L Y C É E 2nde Thème III : Traces écrites S. Dalaine I. Le cœur est un organe autonome soumis à un contrôle nerveux A. Un organe autonome Cf TP6 Le cœur est un organe autonome: isolé de l’organisme il continue de battre à une fréquence élevée (~100 battements.min-1). B. Un organe contrôlé par le système nerveux Au repos, la fréquence cardiaque d’un individu adulte est d’environ 70 battements. min-1. On en déduit que le cœur dans l’organisme est soumis à un contrôle nerveux cardiomodérateur au repos. Ce nerf, qui modère le rythme cardiaque est le nerf X ou parasympathique. En plein effort, l’augmentation de la fréquence cardiaque est assurée par le contrôle nerveux du nerf orthosympathique, ou nerf cardiaque cardioaccélérateur. II. Pression artérielle et notion de boucle de régulation La pression artérielle (pression du sang dans les artères) est une grandeur contrôlée par plusieurs paramètres. Cette pression est directement liée au débit cardiaque et donc aux variations de Fc et de Vs. Par exemple, il existe une boucle réflexe de contrôle de la pression artérielle : - lorsque la pression artérielle est au-dessus de la valeur consigne, les capteurs envoient un message au centre de commande, seul le système parasympathique (dont l’activité était masquée par le parasympathique) s’exprime et envoie un message cariomodérateur sur les cellules effectrices du cœur. En effet, au niveau du centre de commande le message nerveux qui arrive du cœur est inhibiteur (=inactive) pour le nerf sympathique. - lorsque la pression artérielle est sous une valeur de référence dite valeur consigne (90 mmHg), des capteurs situés au niveau de l’artère aorte ne sont plus stimulés par cette pression faible, et le message d’inhibition au niveau du centre de commande n’est plus. Ainsi, un message nerveux sympathique cardioaccélérateur part du centre nerveux vers les cellules effectrices du cœur qui se contractent plus intensément. Alors la pression artérielle augmente pour atteindre la valeur consigne. La boucle de régulation contribue à maintenir la pression artérielle dans d'étroites limites autour d'une certaine valeur. A l’effort, l’organisme s’écarte de cette situation standard. Chapitre 3 : Pratiquer une activité physique en préservant sa santé Cf TP7 I. Un exemple d’accident musculo-articulaire L’appareil locomoteur est un système fragile qu’il convient de protéger. L’étude des blessures associées à une pratique sportive permet de mieux l’appréhender. Ainsi, les blessures musculaires (élongation, claquage), les blessures aux tendons (inflammation = tendinite, rupture) et les blessures aux articulations (luxation, entorse) gênent ou empêchent la réalisation du mouvement. II. L’insertion des muscles sur le squelette A. Etude macroscopique La mise en mouvement de notre squelette est permise par la contraction / le relâchement des muscles squelettiques qui y sont insérés. En effet, les muscles sont accrochés aux os via les tendons. Au niveau des articulations (jonction entre deux os), les os sont liés entre eux par des ligaments. Les articulations présentent une lubrification qui permet de limiter les frottements lors de la mise en mouvement du squelette. Au cours de la contraction musculaire, la force exercée tire sur les tendons et fait jouer une articulation, ce qui conduit à un mouvement. Cf TP 8 B. Etude microscopique Les muscles par le jeu de leur contraction/relâchement permettent de mettre en mouvement notre squelette. Ces modifications de l’organe musculaire s’expliquent à l’échelle microscopique : - Les cellules musculaires apparaissent allongées, on parle de fibres musculaires. Ces fibres longent la totalité de l’os, elles sont donc souvent très longues pour des cellules. Elles sont regroupées en L Y C É E - - 2nde Thème III : Traces écrites S. Dalaine faisceaux également allongés et visibles à l’œil nu (aspect filandreux de la viande). Cette forme allongée est adaptée à la fonction de liaison entre deux os. Dans le cytoplasme, on observe au MO une structure intracellulaire striée. Cette striation (double) permet des variations de longueur et de diamètre de la fibre cellulaire et donc à grande échelle du muscle. On constate plusieurs noyaux dans une même cellule (=fibre) musculaire. En effet le muscle est le siège d’un métabolisme respiratoire et/ou fermentaire intense, et ce métabolisme est codé par des gènes. Ainsi cette pluri nucléation des cellules musculaires est une adaptation à leur fort métabolisme lié à leur capacité de se contracter et de se relâcher, ce qui nécessite beaucoup d’énergie. Ainsi, lorsqu’un muscle squelettique se contracte, son diamètre augmente et sa longueur diminue, inversement lorsqu’il se relâche. Ces contractions consomment beaucoup d’énergie. Ces modifications s’expliquent par la composition intracellulaire des fibres musculaires. Cf Questions 1 à 4 p. 262-263 III. Sport et pratiques inadaptées Des pratiques inadaptées ou dangereuses (exercice trop intense, dopage…) augmentent la fragilité du système musculo-articulaire et/ou provoquent des accidents. A. L’importance de l’entraînement pour améliorer ses performances On constate que plus l’entraînement augmente plus les performances sportives sont grandes. L’entraînement favorise le développement musculaire (augmentation du nombre de fibres et de microfibrilles), mais aussi de l’irrigation sanguine (multiplication des capillaires sanguins approvisionnant les muscles en dioxygène et nutriments). Il participe également à augmenter le Volume déjection systolique (Vs) tout en diminuant la Fc (fatigant le cœur) : ainsi l’entraînement permet d’augmenter le Dc et avec lui l’approvisionnement en sang des muscles. Enfin, l’entraînement renforce les connexions nerveuses et ainsi augmente la précision du mouvement. B. Une pratique sportive inadaptée est risquée pour l’organisme Au-delà d’une certaine durée de l’entraînement (ex pour un marathonien courir plus de 140km/semaine), on constate une diminution des performances. On en déduit qu’il existe une charge d’entraînement par semaine à ne pas dépasser. Au-delà l’organisme n’a pas le temps de récupérer, c’est-à-dire stocker des réserves et laisser aux fibres musculaires le temps nécessaire à l’entretien des microfibrilles par exemple. C. Les dérives dans la recherche de l’exploit sportif La pression exercée sur les sportifs en termes de performances les conduit parfois à recourir à des méthodes illégales et dangereuses pour leur organisme. Ainsi, la consommation de produits dopants tels que les anabolisants ou l’EPO permet sur du court terme d’augmenter rapidement les performances sportives ; mais sur du moyen terme ces produits sont néfastes et peuvent être létaux. Ex : l’EPO est une substance naturellement synthétisée par l’organisme (par les reins) qui permet la synthèse de globules rouges. Ces cellules sanguines ont pour rôle le transport réversible du dioxygène. L’injection illégale d’EPO de synthèse permet d’augmenter artificiellement le nombre de globules rouges dans le sang et ainsi augmenter l’approvisionnement en dioxygène des muscles : la VO2 max est ainsi accrue. Or cette densité importante de globules rouges rend le sang plus visqueux ce qui peut entraîner l’obstruction des capillaires sanguins alimentant le muscle cardiaque te ainsi aboutir à un infarctus (arrêt du cœur). Conclusion : Cette partie relative au corps humain en lien avec la pratique sportive a permis de révéler l’importance de la pratique d’un sport pour entretenir un organisme en bonne santé. On a ainsi montré la relation existant entre les organes (cerveau, cœur, poumons, vaisseaux sanguins, muscles, squelette), et dans quelle mesure le sport sollicite ces organes. Dans cette relation entre les organes, on a pu comprendre un exemple de boucle de régulation dans le cas du paramètre réglé, qu’est la pression artérielle. Enfin, on a mise en évidence que la pratique d’un sport est bénéfique à l’organisme à condition d’être adaptée, en effet tout excès est néfaste.
