Les connaissances essentielles sous forme d’un résumé structuré avec les mots-clés du chapitre et d’un schéma bilan >[ Des notions déjà vues dans les classes ou les chapitres antérieurs Pour démarrer 1. Le cœur et la circulation >2. 2. La double circulation Au cours de la circulation pulmonaire*, la totalité du sang, provenant de la circulation générale par les veines caves et appauvri en dioxygène, passe par le « cœur droit ». Il est les échanges gazeux > Les poumons permettent le réapprovisionnement de l’organisme en dioxygène (vu en 5e). Les échanges gazeux sanguins de dioxygène et de dioxyde de carbone* ont lieu dans des alvéoles pulmonaires, petits sacs qui terminent les ramifications des voies respiratoires > Doc. 1 et 2 . Les questions qui se posent Le cœur est un organe cloisonné formé de quatre cavités : deux oreillettes et deux ventricules. Chaque oreillette communique avec un ventricule et l’ensemble constitue une partie du cœur. La circulation du sang est orientée grâce aux valvules*. Les valvules auriculoventriculaires* sont des lamelles membraneuses localisées entre une oreillette et un ventricule. Ces membranes ou valves, rattachées par des cordons tendineux à des piliers du myocarde*, ne s’ouvrent que dans le sens oreillettes ➝ ventricules. Les valvules artérielles ou sigmoïdes, lamelles membraneuses en corbeille localisées à la limite des ventricules et des vaisseaux qui en partent (tronc artériel aortique et tronc pulmonaire), ne s’ouvrent que dans le sens ventricules ➝ vaisseaux. L’ouverture et la fermeture des valvules dépendent des pressions qui s’exercent sur elles au cours des contractions. La fermeture des valvules s’accompagne de deux bruits perceptibles à l’auscultation au stéthoscope* (activités 2 et 3). O2 POUMONS veine artère CŒUR veine Doc. 1 Les voies respiratoires de l’homme, du nez aux alvéoles pulmonaires. 1. La circulation et la respiration, Le sommaire des activités du chapitre artère < Sommaire des activités capillaires deux fonctions associées. La structure du cœur et la circulation. Le fonctionnement du cœur. Le cœur à l’effort. La distribution du sang oxygéné aux organes. 6. La réoxygénation pulmonaire du sang. CO2 2. 3. 4. 5. O2 ORGANE sang riche en dioxygène sang appauvri en dioxygène et enrichi en dioxyde de carbone sens de la circulation sanguine < Doc. 2 Schéma simplifié de la circulation et des échanges gazeux. expulsé dans les artères pulmonaires vers les poumons. Le sang circule alors dans les capillaires pulmonaires où il est saturé en dioxygène*. Le dioxygène, gazeux dans l’air alvéolaire, se combine avec l’hémoglobine, protéine présente dans les hématies, sous forme d’oxyhémoglobine (activité 5). En même temps, le dioxyde de carbone, produit de la respiration cellulaire, passe du sang dans l’air alvéolaire. Ainsi oxygéné, le sang rejoint le « cœur gauche » par les veines pulmonaires ; il est éjecté dans l’aorte, rejoignant la circulation générale* qui assure l’apport en dioxygène à tous les organes. Par analogie avec un montage électrique, on peut dire que le cœur et les poumons sont deux organes disposés en série puisqu’ils reçoivent successivement la totalité du sang circulant (activités 1 et 5). Bilan L’activité cardiorespiratoire et l’apport de dioxygène La disposition en parallèle de la circulation générale (entre le cœur et les organes) et la disposition en série de la circulation pulmonaire (entre le cœur et les poumons) permettent aux muscles de recevoir du sang > saturé en dioxygène. La circulation cloisonnée et orientée du cœur organise cette distribution. Au cours d’un effort, les modifications du débit cardiaque et de la ventilation pulmonaire, et la réorganisation de la distribution sanguine au niveau des capillaires entraînent une oxygénation optimale nécessaire au fonctionnement musculaire. Lors d’une activité physique, les réponses cardiorespiratoires sont couplées. et respiratoire au cours d’un effort 1. La distribution du sang oxygéné aux organes La disposition en série des deux circulations, le fonctionnement du cœur et la circulation intracardiaque orientée concourent à la présence d’un sang saturé en dioxygène lors de son éjection dans la circulation générale au niveau du tronc artériel aortique. Ce tronc se ramifie en de nombreuses artères qui permettent l’irrigation des différents organes. Ceux-ci (reins, intestin, cerveau, etc.) sont donc, par analogie avec un montage électrique, disposés en parallèle. Chaque organe reçoit ainsi une partie du sang saturé en dioxygène (activité 5). La quantité de dioxygène consommée par les muscles ou tout autre organe dépend donc de cet apport, mais aussi de la quantité prélevée. Cette quantité correspond à la différence entre la concentration du sang artériel afférent en dioxygène (CA O2) et la concentration du sang veineux sortant en dioxygène (CV O2) (activité 6). 2. Le fonctionnement ordonné de la pompe cardiaque Le cœur a une activité rythmique de 70 à 80 battements par minute au repos. Chaque battement correspond à une période appelée révolution cardiaque* ou cycle cardiaque*, au cours de laquelle le myocarde se contracte et se relâche. Chaque cycle cardiaque présente trois phases : la contraction des oreillettes ou systole auriculaire*, la contraction des ventricules ou systole ventriculaire* et la période de repos général ou diastole* générale. Ces trois événements sont synchrones pour les deux parties droite et gauche du cœur. Au cours de la systole auriculaire, les oreillettes, qui se sont remplies passivement de sang au cours de la diastole, se contractent et expulsent le sang dans les ventricules en grande partie remplis en même temps que les oreillettes. Les valvules auriculoventriculaires sont ouvertes et les valvules artérielles fermées. Les ventricules, entièrement remplis, se contractent lors de la systole entraînant une augmentation de la pression ventriculaire. Celle-ci est responsable, dans un premier temps, de la fermeture des valvules auriculoventriculaires, puis, dans un 2. Le contrôle local de la circulation vasculaire Au cours d’une activité physique, le débit du sang qui arrive dans chacun des organes au repos est modifié en fonction des besoins. Les muscles reçoivent une quantité importante de sang oxygéné, tandis que d’autres organes comme les reins en reçoivent peu. Seule l’irrigation cérébrale demeure constante. La circulation vasculaire locale est donc modifiable. Les artérioles sont capables de modifier le flux sanguin arrivant dans un organe soit en le favorisant par vasodilatation*, soit en le limitant par vasoconstriction*. Entourant les capillaires sanguins, de petits muscles ronds, appelés sphincters, peuvent se contracter ou se relâcher ; leur contraction exerce une constriction des capillaires et bloque ainsi la circulation, alors que leur relâchement la permet (activité 5). 42 29 La période de contraction est suivie de la diastole générale. Le myocarde est entièrement relâché. Le sang afflue par les veines caves dans l’oreillette droite et le ventricule droit, et par les veines pulmonaires dans l’oreillette gauche et le ventricule gauche (activité 3). > Les adaptations vasculaire, cardiaque Le rôle du cœur 1. La circulation orientée dans le cœur capillaires CO2 second temps, de l’ouverture des valvules artérielles. L’éjection du sang dans les artères aorte et pulmonaire a lieu à pression constante. Une fois le sang expulsé, les valvules artérielles se referment sous l’effet de la pression du sang artériel, empêchant ainsi le reflux du sang dans les ventricules. deux fonctions associées 1. Les appareils circulatoire et respiratoire L’appareil circulatoire est formé d’un organe moteur, le cœur*, et de vaisseaux qui constituent un réseau important permettant l’irrigation de l’ensemble des organes. Le sang circule dans ces vaisseaux suivant un circuit à double circulation : la circulation générale et la circulation pulmonaire. L’appareil respiratoire est constitué par les deux poumons et les voies respiratoires (trachée et bronches). Le réseau des ramifications à partir des bronches se termine par de petits sacs, les alvéoles pulmonaires où aboutit l’air (activité 1). 2. Les poumons et elles l’apport continu et approprié en dioxygène aux cellules musculaires en fonction de l’effort fourni ? L’organisme en fonctionnement L’essentiel > La circulation et la respiration, L’appareil circulatoire est formé d’un organe moteur, le cœur*, et de vaisseaux qui constituent un réseau important dont le rôle est d’irriguer les organes du corps (vu en 5e). Le sang qui circule permet le transport du dioxygène* et des nutriments* nécessaires au fonctionnement de toutes les cellules de l’organisme. La circulation sanguine est assurée par les contractions du cœur, une véritable pompe (vu en 5e et en 3e). >2. Chapitre >2. L’activité cardiorespiratoire et l’apport de dioxygène Au cours d’un effort musculaire, il y a une consommation accrue de glucose, principale source d’énergie, et de dioxygène. Ce dernier n’est pas stocké dans l’organisme ; par conséquent, le sang doit assurer son apport en permanence et en quantité Comment les deux fonctions associées, suffisante pour couvrir les besoins la circulation et la respiration, assurentdes cellules musculaires. Introduction du chapitre L’organisme en fonctionnement Chapitre Chapitre Chapitre 2. L’importance de la surface d’échange entre le sang et les cellules de l’organe dépend du nombre de capillaires, fermés ou ouverts, et varie en fonction des besoins. L’adaptation de cette distribution du sang suppose une coordination fonctionnelle du système vasculaire (activité 5). 3. L’augmentation du débit cardiaque et de la ventilation pulmonaire Les besoins accrus au cours d’un effort impliquent une augmentation de l’approvisionnement et de la distribution en dioxygène. Cela est permis par l’augmentation du débit – 1 cardiaque* DC (en Lmin ), qui dépend à la fois de la –1 –1 fréquence cardiaque* FC (en coupmin ou batmin ) et du volume de sang éjecté à chaque systole ou volume –1 d’éjection systolique VES (en mLbat ) (activité 4). L’augmentation de la ventilation permet de maintenir dans les alvéoles un air suffisamment riche en dioxygène pour assurer la saturation du sang au niveau des poumons malgré l’augmentation du débit cardiaque et de la différence artérioveineuse. Il y a donc couplage de l’augmentation des activités cardiaque et ventilatoire (activité 6). > [ Mots-clés Circulation générale Circulation pulmonaire Cœur Débit cardiaque Diastole Fréquence cardiaque Myocarde Révolution cardiaque Saturation en dioxygène Systole auriculaire Systole ventriculaire Valvules Vasoconstriction Vasodilatation > 2. L’activité cardiorespiratoire et l’apport de dioxygène 43 44 Des exercices de niveaux variés pour s’entraîner Activités 1. La circulation et la respiration, 2. Les échanges gazeux et le transport du dioxygène par le sang Le sang assure le transport des gaz respiratoires : le dioxygène O2 et le dioxyde de carbone CO2. Le renouvellement du dioxygène se fait au niveau des alvéoles pulmonaires. Les échanges se font à travers les fines parois des alvéoles et des capillaires > Doc. 2 . Dans le sang réapprovisionné en dioxygène, la quan- deux fonctions associées Les questions auxquelles l’activité se propose de répondre Les organes reçoivent en permanence le dioxygène transporté par le sang et nécessaire à leur fonctionnement. la distribution du sang réapprovisionné en dioxygène aux différents organes ? CO2 alvéole pulmonaire De nombreux documents sous des formes variées (photographies, schémas d’interprétation, extraits de textes, etc.) alvéole pulmonaire O2 cellule pulmonaire capillaire sanguin globules rouges < Doc. 2 Tissu pulmonaire montrant un capillaire sanguin contenant des hématies (MEB, 830, en fausses couleurs). 1. Exploitation cellule musculaire O2 CO2 vaisseau sanguin 1. noyaux 2. En vous aidant du modèle d’un circuit L’exploitation des documents aboutissant à une question bilan 3. Bilan : Sachant que le sang est réapprovisionné en dioxygène à la sortie des poumons, montrer l’intérêt de cette disposition en série. > > Chapitre Évaluation des acquis Entraînement et modifications des performances 1. Retrouver la (ou les) bonne(s) réponse(s) Dans chaque cas, justifier votre choix. 1. La circulation pulmonaire et la circulation générale sont : a. disposées en parallèle ; b. indépendantes l’une de l’autre ; c. disposées en série. 2. Lors d’une révolution cardiaque : a. la systole ventriculaire précède la systole auriculaire ; b. la systole ventriculaire du « cœur droit » précède celle du « cœur gauche » ; c. la systole ventriculaire éjecte le sang dans les artères. 3. Les valvules auriculoventriculaires sont ouvertes : a. lors de la contraction des oreillettes ; b. au cours de la diastole ; c. lors de la systole ventriculaire. 4. Les valvules artérielles s’ouvrent : a. lors de la contraction des oreillettes ; b. au cours de la diastole ; c. lors de la systole ventriculaire. 5. Les artères sont des vaisseaux qui transportent : a. du sang oxygéné ; b. du sang appauvri en dioxygène ; c. du sang des organes vers le cœur. 6. Le sang saturé en dioxygène circule : a. dans les deux oreillettes ; b. dans le ventricule gauche ; c. dans l’artère aorte. 7. Lors d’un effort physique : a. le débit cardiaque augmente ; b. la ventilation pulmonaire diminue ; c. l’irrigation de tous les organes est accrue. Dans la pratique d’un sport, l’entraînement permet l’amélioration des performances. Cette amélioration dépend de nombreux paramètres physiologiques tels que l’activité cardiaque, l’activité pulmonaire, etc. Question : à partir de l’exploitation rigoureuse des documents 1 et 2 et de vos connaissances, montrer comment l’entraînement modifie le fonctionnement cardiaque et expliquer en partie l’amélioration des performances sportives. 180 fréquence cardiaque (bat.min –1) débit cardiaque ( L.min –1 ) 1 50 160 40 2 140 sans entraînement avec entraînement 2 1 20 1 2 80 0 repos 1 2 30 120 100 60 sans entraînement 10 avec entraînement 0 1 2 3 4 5 intensité de l’effort 1 2 3 repos 4 5 intensité de l’effort Doc. 1 et 2 Variations de la fréquence cardiaque et du débit cardiaque en fonction de l’intensité de l’effort > Décrire les variations de la fréquence et du débit cardiaque avec l’intensité de l’effort chez des individus entraînés et des individus non entraînés. > Proposer une explication à la différence de variation du débit cardiaque entre les individus entraînés et les individus non entraînés. > Relier le débit sanguin aux besoins cellulaires. Développement < Chez l’individu non entraîné et l’individu entraîné, la fréquence cardiaque et le débit cardiaque augmentent régulièrement lorsque la puissance de l’exercice s’intensifie. Pour l’individu entraîné, la fréquence cardiaque passe de 80 batmin– 1 au repos à 140 batmin– 1 pour un effort d’intensité notée 5, et le débit cardiaque de 5 Lmin– 1 à 25 Lmin– 1. Sans entraînement, la fréquence cardiaque varie de 90 à 170 batmin– 1 et le débit cardiaque de 5 à 20 Lmin– 1. Pour un exercice d’intensité donnée, on constate que, chez l’individu non entraîné, la fréquence cardiaque est supérieure et le débit cardiaque inférieur à ce que l’on mesure chez un individu entraîné. Après l’entraînement , la fréquence cardiaque s’élève moins vite et le débit cardiaque augmente rapidement avec la puissance de l’effort. Le débit cardiaque est le volume de sang qui circule à chaque minute ; il est le produit de la fréquence cardiaque et du volume d’éjection systolique. Chez l’individu entraîné, le débit cardiaque augmente alors que la fréquence diminue ; cela s’explique par une augmentation du volume d’éjection systolique. L’augmentation du débit sanguin cardiaque permet une distribution plus importante du dioxygène nécessaire aux cellules musculaires pour produire de l’énergie. > 2. L’activité cardiorespiratoire et l’apport de dioxygène Doc. 3 Cellules musculaires en coupe transversale montrant L’organisme en fonctionnement Exercices Solution Décrire les deux circulations, générale et pulmonaire, et dégager l’importance du cœur dans un tel circuit [ Doc. 1 ]. électrique (voir doc. 2, activité 5, p. 38), montrer que le cœur et les poumons et, par extension, que la circulation générale et la circulation pulmonaire sont disposés en série [ Doc. 1 ]. > Doc. 1 Schéma de l’appareil circulatoire Exploitation de documents >2. chez des individus avant et après une période d’entraînement. > La double circulation L’appareil circulatoire est formé d’un réseau clos de vaisseaux sanguins. Les artères transportent le sang depuis le cœur jusqu’aux organes. Les veines véhiculent le sang depuis les organes jusqu’au cœur. Les artères et les veines > Doc. 1 se ramifient respectivement en artérioles et en veinules, de diamètres de plus en plus fins, puis en capillaires sanguins. Tous ces vaisseaux forment un double circuit correspondant à une double circulation : la circulation générale* ou systémique et la petite circulation ou circulation pulmonaire*. L’organisme en fonctionnement Exercice résolu Sujet tité de ce gaz fixée par l’hémoglobine est de 0,2 litre par litre de sang. La concentration en dioxygène du sang artériel est toujours constante. Dans les cellules musculaires comme dans toutes les autres cellules, l’approvisionnement en dioxygène se fait au niveau des capillaires sanguins > Doc. 3 . la structure de l’appareil > Comment circulatoire permet-elle [ > L’organisme en fonctionnement > Chapitre >2. 7. Le travail musculaire et la consommation de dioxygène 4. L’apport en dioxygène aux organes On étudie la variation de la consommation de dioxygène par un sujet au cours d’un exercice musculaire d’intensité croissante. On obtient les courbes ci-dessous. > Objectif : résoudre un problème physiologique à partir de l’analyse de courbes. Pour permettre le bon fonctionnement de l’organisme, l’apport en dioxygène aux cellules doit être constant et adapté aux besoins. 5. Les adaptations cardiorespiratoires 4 250 3 200 Lors d’un effort physique, le fonctionnement cardiorespiratoire change ; on parle d’adaptation. 2 Question : dégager les modifications cardiovasculaires survenant lors d’un effort et montrer en quoi elles constituent une réponse adaptée à cet effort. 1 3. Rédiger une phrase en utilisant les expressions et mots suivants a. Diastole ; révolution cardiaque ; systole. b. Ventilation pulmonaire ; effort ; débit cardiaque. > Voir corrigé, p. 267 45 12 CA O2 - CV O2 8 4 consommation de dioxygène (L .min –1) CV O2 150 0 100 repos 1 2 3 4 5 effort d’intensité croissante 50 10. Le cycle cardiaque 0 1 2 3 4 > Objectif : utiliser des informations nouvelles. 5 Lors d’un cycle cardiaque, on enregistre simultanément les variations des pressions de l’oreillette gauche, du ventricule gauche et de l’aorte, et les bruits cardiaques. temps (min) Exploitation de documents 1. À partir de l’étude générale de ces courbes, montrer 6. Les contractions cardiaques > Objectif : mobiliser des connaissances. comment évolue la consommation de dioxygène au cours du temps quelle que soit l’intensité de l’exercice. 2. Donner une explication physiologique. 120 8. La révolution cardiaque 100 3 4 5 1 6 2 b pression (mm de Hg) 3 > Objectif : restituer des connaissances à partir de l’étude d’un document. a concentration en dioxygène (mL par 100 mL de sang) CA O2 16 puissance de l’exercice (W) consommation de dioxygène (L.min–1) Question : montrer comment l’organisation de la circulation sanguine, l’organisation du cœur ainsi que le fonctionnement cardiaque permettent un apport continu en dioxygène aux organes. 2. Définir les expressions et le mot suivants a. Circulation en série. b. Circulation en parallèle. c. Débit cardiaque. d. Révolution cardiaque. e. Valvules. 3. Proposer une explication physiologique rendant compte des réponses aux questions précédentes. Restitution organisée des connaissances 1. Légender le schéma. 2. À quelle phase 80 2 de la révolution cardiaque correspond ce schéma ? Justifier la réponse. 3. Rappeler les principaux événements correspondant à cette phase. 4. Pourquoi dit-on que la circulation est orientée ? 60 40 20 4 0 1 bruits cardiaques 1er 9. L’oxygénation du sang A > Objectif : analyser et interpréter les données d’un graphe. Les deux documents ci-dessus représentent une coupe du myocarde, obtenue après exploration du cœur par scintigraphie. 1. Proposer une légende pour a et b . Justifier la réponse. 2. À quelle(s) phase(s) de la révolution cardiaque correspond chacun de ces documents ? Justifier la réponse. 3. Préciser ce que devient le sang contenu dans chacune des cavités. Le graphe ci-après représente les variations de la concentration en dioxygène d’une artère (CA) et d’une veine (CV) en fonction d’un effort d’intensité croissante. 1. Comment chacune de ces concentrations varie-t-elle au cours d’un effort ? 2. Calculer le débit cardiaque au repos et au cours de l’effort maximal ? 46 pression aortique 2e B pression ventriculaire gauche C pression auriculaire gauche 1. Identifier les événements numérotés de 1 à 4 qui marquent le cycle cardiaque. Justifier la réponse. 2. À partir de la réponse précédente et des enregistrements des bruits cardiaques, nommer les étapes A, B et C. > 2. L’activité cardiorespiratoire et l’apport de dioxygène 47 un vaisseau sanguin (MO, 1 850). de l’homme. 30 > 2. L’activité cardiorespiratoire et l’apport de dioxygène 31 À la fin de chaque partie, des thèmes d’actualité riches en documents avec des pistes de recherche et des sources d’information [ Comment l’organisation du cœur permet-elle la circulation du sang entre ces deux circuits ? 1. Sur un cœur, après avoir ligaturé tous les tuyaux et cousu toutes les ouvertures, réaliser des injections d’eau, colorée ou non, dans chacun des tuyaux précisés dans le tableau ci-contre > Doc. 2 . L’anatomie externe du cœur l’eau ressort par l’artère pulmonaire l’artère pulmonaire l’eau ne s’écoule pas la veine pulmonaire l’eau ressort par l’artère aorte l’artère aorte l’eau ne s’écoule pas valvules auriculoventriculaires tronc aortique artère aorte > Objectif : établir la relation entre l’organisation du cœur et le sens de la circulation. veines pulmonaires Protocole veine cave supérieure tronc pulmonaire • Repérer les oreillettes droite et gauche, oreillette droite aplaties et rouge-sombre, et les ventricules, qui forment la masse principale du cœur. oreillette gauche le cœur face ventrale au-dessus et couper longitudinalement le tronc artériel pulmonaire, puis sectionner la paroi du ventricule droit en longeant le sillon interventriculaire > Doc. 1 . • Ouverture du « cœur gauche » : sectionner l’aorte, puis la paroi du ventricule gauche en suivant le sillon jusqu’à la pointe du cœur > Doc. 1 . • Distinguer les artères à section circulaire béante qui partent des ventricules et les veines à section aplatie refermée qui partent des oreillettes. • Pour chaque « cœur », observer veine cave inférieure l’oreillette droite et les veines pulmonaires de l’oreillette gauche ; introduire la sonde cannelée dans l’ouverture des autres vaisseaux. La sonde est engagée dans le tronc artériel aortique et le ventricule gauche si elle arrive dans la pointe du cœur ; au contraire, la sonde est engagée dans le tronc artériel pulmonaire et le ventricule droit si elle arrive à gauche. ventricule gauche ventricule droit sillon interventriculaire > • Introduire différents Doc. 1 Anatomie externe du cœur (face ventrale). Ligne d’incision du tronc pulmonaire et du ventricule droit. Ligne d’incision du tronc aortique et du ventricule gauche. > Doc. 3 : – à la limite du ventricule et du vaisseau sectionné, trois lames membraneuses blanches en corbeille, qui constituent la valvule artérielle ou sigmoïde (droite ou gauche) ; introduire une petite bille ou du coton dans l’une d’entre elles pour distinguer leur forme, puis repérer à leur niveau l’orifice des artères coronaires ; – les lamelles fibreuses entre l’oreillette et le ventricule, qui constituent la valvule auriculoventriculaire* (droite ou gauche) ; leur pointe est reliée par des cordons tendineux rattachés à des piliers en saillie. artère pulmonaire oreillette droite Davantage de dioxygène première moitié du ventricule droit seconde moitié du ventricule droit ventricule gauche paroi interventriculaire Doc. 3 Cœur ouvert de mouton. > Exploitation 1. fréquence cardiaque (battements par minute) Exploiter les expériences d’injection d’eau pour dégager les caractéristiques de la circulation sanguine du cœur [ Doc. 2 ]. 2. Justifier la dénomination de « cœur droit » et de « cœur gauche » en indiquant les cavités qui constituent chacune de ces deux parties du cœur [ Doc. 1 ]. 3. Préciser, en argumentant à partir des observations de la dissection, dans quel sens les différentes valvules s’ouvrent et se referment [ Doc. 3 ]. En quoi cela permet-il d’expliquer que la circulation du sang dans le cœur se fait à sens unique ? 4. Bilan : Le « cœur droit » reçoit du sang appauvri en dioxygène et le « cœur gauche » du sang enrichi en dioxygène. Retracer le circuit du sang dans les différents vaisseaux et cavités du cœur en exploitant ces informations. > 2. L’activité cardiorespiratoire et l’apport de dioxygène 33 L’exploitation des résultats • L’érythropoïétine (EPO) La performance au cours d’un exercice de longue durée (cyclisme sur route, ski de fond, marathon…) dépend surtout de l’aptitude maximale des muscles à consommer du dioxygène. Cette aptitude augmente avec la capacité du sang artériel à transporter le dioxygène. Ce sont les globules rouges (grâce à l’hémoglobine qu’ils contiennent) qui transportent le dioxygène des poumons vers les muscles. Le rein sécrète naturellement de l’EPO, une hormone permettant la multiplication des futurs globules rouges. L’entraînement en altitude augmente cette sécrétion naturelle : la production des globules rouges sanguins peut être multipliée jusqu’à plus de sept fois ! Dès 1988, la prise d’EPO artificielle a permis une spectaculaire augmentation des performances dans les sports d’endurance, mais elle peut conduire à un accident vasculaire grave car elle augmente la viscosité du sang. 66 • Les substituts du sang Dans les années 1970, la pratique de l’autotransfusion après un séjour en altitude, qui augmente le nombre de globules rouges, s’est développée. De nos jours, des substituts du sang tels que les hémoglobines modifiées ou les PFC (perfluorocarbones) permettent de récupérer une quantité supplémentaire de dioxygène lorsqu’ils sont injectés dans le sang. Les dangers (infections, accidents vasculaires) sont encore mal connus. Davantage de muscle • Les stéroïdes anabolisants Substances analogues à l’hormone mâle naturelle, la testostérone, ils stimulent la croissance musculaire et l’agressivité, et améliorent la capacité d’entraînement. Le vainqueur du 100 m des jeux de Séoul, en 1988, coureur non dopé 180 160 140 120 100 80 60 40 Informations Des stimulants de l’agressivité, tels les amphétamines ou cocaïne, sont parfois utilisés comme dopants. Dangereux et améliorant peu les performances sportives, ils sont aisément détectés dans les urines au cours des contrôles. La recherche biomédicale produit désormais des substances utiles pour soigner certaines maladies, mais détournées de leur bon usage par des sportifs. Interview Données chiffrées Comparaison de deux coureurs cyclistes Les sportifs de haut niveau cherchent à augmenter leurs performances. Certains utilisent même des substances illicites pour accroître la puissance et l’oxygénation de leurs muscles. artère aorte • Ouverture du « cœur droit » : disposer > Les performances surhumaines des cyclistes du Tour de France 1997 devaient beaucoup à l’EPO. Le dopage des sportifs valvules artérielles 3. L’anatomie interne du cœur artère pulmonaire de mouton > Doc. 1 et la face dorsale plate, la pointe du cœur étant vers le bas. Sur chaque face, un sillon oblique marque la limite entre les ventricules ; ce sillon interventriculaire contient les artères coronaires qui irriguent le cœur. Le tissu blanchâtre qui les entoure est un tissu adipeux*. • Identifier les veines caves qui partent de 6 < Doc. 2 observation la veine cave Le document 2 présente les résultats de cette expérience. • Localiser la face ventrale bombée d’un cœur 32 injection d’eau dans le tuyau relié à Résultats Protocole tuyaux en plastique dans l’aorte, puis dans la veine pulmonaire, la veine cave et enfin l’artère > Doc.X Xxx pulmonaire. de la circulation cardiaque Protocole > Objectif : montrer que le cœur est un organe cloisonné en deux structures formées chacune de deux cavités en relation avec des vaisseaux bien identifiés. Un protocole réalisable en classe 2. Les caractéristiques > Objectif : déterminer le sens de la circulation dans le cœur. L’organisme en fonctionnement Thèmes au choix fut convaincu de dopage avec un stéroïde anabolisant. L’ex-RDA dopait systématiquement ses athlètes de cette façon. Les risques de l’usage des stéroïdes sont très nombreux : problèmes vasculaires, cancers... • L’hormone de croissance (GH) L’hypophyse sécrète naturellement la GH. L’hormone de croissance semi-synthétique est détectable dans les contrôles depuis 1999. Comme l’hormone naturelle, elle favorise le développement musculaire et la mobilisation des graisses de réserve, et accélère la réparation des tissus après une blessure. Les conséquences néfastes de la prise de GH sont l’allongement du menton et des mains, des maladies cardiaques, parfois des diabètes. 0 5 6 7 temps de course (heures) fréquence cardiaque (battements par minute) coureur dopé à l’EPO 180 160 140 120 100 80 60 40 1 0 2 1 3 4 2 3 4 5 temps de course (heures) Les courbes ci-dessus présentent les enregistrements cardiaques de deux coureurs, l’un non dopé, l’autre dopé à l’EPO, dans deux courses de difficultés équivalentes. Le rythme cardiaque moyen du coureur non dopé, sur l’ensemble de la course, est de 150 battements par minute, et ne descend jamais en dessous de 100 battements par minute, même dans les zones faciles. Après cinq heures de course, son cœur s’épuise. La fréquence cardiaque moyenne du coureur dopé à l’EPO est de 90 battements par minute. Lors des efforts finaux, le cœur de l’athlète a encore des réserves. Courbe de performances d’un célèbre sprinter (16 ans de carrière) performance au 100 mètres (s) contrôle positif aux stéroïdes 10,5 Dr J.-P. de Mondenard, spécialiste du dopage Un contrôle négatif ne constitue donc pas une preuve de non-dopage ? Effectivement, la première caractéristique d’un contrôle négatif, c’est qu’il ne permet pas de conclure à l’absence de dopage. La principale raison de cette lacune tient aux nombreuses substances indécelables : la cortisone naturelle, hormone corticosurrénale euphorisante et anti-inflammatoire qui facilite l’adaptation au stress et aux charges de travail élevées ; l’hormone de croissance, qui stimule la production de globules rouges et augmente l’oxygénation musculaire ; l’hormone thyroïdienne ; l’hormone corticotrophine, qui stimule les glandes surrénales productrices d’anabolisants stéroïdiens ; la gonadolibérine d’origine hypothalamique, qui déclenche la sécrétion d’hormones mâles par les testicules ; la somatostatine, qui bloque la sécrétion d’hormones de croissance et permet d’orienter le développement des gymnastes... La deuxième raison tient à l’utilisation des produits dits d’entraînement, comme les stéroïdes anabolisants injectables. La plupart sont détectables, mais peuvent être arrêtés suffisamment longtemps avant les compétitions. Il suffit d’enchaîner alors avec les dopants indétectables – principalement l’hormone de croissance – ou rapidement éliminés – comme certains stéroïdes anabolisants administrables par la bouche, qui disparaissent en cinq jours... 10,0 1979 Sciences et Avenir, n° 593, juillet 1996. 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 année civile On constate une brusque amélioration des performances en 1985. En 1988, un contrôle antidopage se révélait positif aux stéroïdes anabolisants. Pistes de recherche • Quels sont les effets recherchés par les sportifs utilisant les substances dopantes ? Sur quels organes agissent-elles ? • Quelles maladies soigne-t-on avec les principales substances dopantes ? Quels risques ces substances présentent-elles pour la santé ? > Le cœur est un passage obligé entre le circuit de la circulation pulmonaire et le circuit de la circulation générale. > Partie >2. >1. L’organisme en fonctionnement Activités 2. La structure du cœur et la circulation > Des activités expérimentales clairement identifiées Chapitre > Mode d’emploi Aux championnats du monde d’athlétisme d’Edmonton, en 2001, deux athlètes britanniques protestent contre la gagnante du 5000 m féminin, contrôlée positive à l’EPO : « Dehors, les tricheurs à l’EPO ». • Recherchez dans l’actualité récente des cas de dopage. Quels ont été les produits utilisés, et quel bénéfice l’athlète escomptait-il ? > [ Sources d’information Livres et revues – W. Voet, Massacre à la chaîne, révélations sur 30 ans de tricherie, Calmann-Lévy, 1999. – Le Dopage, dossier hors série de Sciences et Vie, n° 206, mars 1999. Sites internet – http://www.santesport.gouv.fr > Thèmes au choix 67 7