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Organisme en activité : muscles, cœur et poumons à l’effort
Os, articulations et muscles ; commande nerveuse du mouvement ; ce que consomme un muscle et la consommation maximale de dioxygène ; réglage du cœur et de la ventilation ; limites, blessures et dopage ; entraînement et sédentarité.
À propos de cette page
Os, articulations et muscles : produire un mouvement
Deux os se rencontrent dans une articulation : leurs extrémités sont couvertes de cartilage, un tissu lisse qui amortit et limite les frottements ; elles baignent dans un liquide qui lubrifie et sont tenues entre elles par des ligaments (os → os).
Les muscles du squelette (plus de 600) sont attachés aux os par des tendons (muscle → os). Un muscle est formé de longues cellules, les fibres musculaires. Il ne sait faire qu’une chose : se contracter, c’est-à-dire se raccourcir et durcir en tirant sur ses tendons. Il ne pousse jamais.
Un aller-retour demande donc deux muscles antagonistes, placés de part et d’autre de l’articulation : quand l’un se contracte, l’autre se relâche et se laisse étirer.
Quel muscle travaille ?
Le muscle qui se contracte est celui qui se trouve du côté vers lequel le membre se plie, ou celui qui tire l’os par l’arrière de l’articulation pour le tendre.
| Articulation | Plier (fléchir) | Tendre (étendre) |
|---|---|---|
| coude | biceps, à l’avant du bras | triceps, à l’arrière du bras |
| genou | ischio-jambiers, à l’arrière de la cuisse | quadriceps, à l’avant de la cuisse |
| cheville | jambier antérieur, devant la jambe : il relève la pointe du pied | mollet, relié au talon par le tendon d’Achille : il pointe le pied vers le bas |
Pour tirer une corde vers soi, on plie les coudes : les biceps se contractent et tirent l’avant-bras vers le haut, les triceps se relâchent.
Pour sauter, on tend d’un coup genoux et chevilles : les quadriceps et les mollets se contractent ; leurs antagonistes, ischio-jambiers et jambiers antérieurs, se relâchent.
Réflexe — devant un mouvement, je repère l’articulation et le sens (plier ou tendre), puis le muscle qui se raccourcit pour produire ce sens ; son antagoniste se relâche.
Attention — le tendon appartient au muscle (muscle → os), le ligament à l’articulation (os → os). Et un muscle ne pousse jamais : pour tendre le bras, ce n’est pas le biceps qui « pousse », c’est le triceps qui tire.
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La commande nerveuse du mouvement
Rappel. En 4e, tu as vu le trajet « capter, traiter, commander », le neurone et le message nerveux électrique, la synapse, et la différence entre un réflexe et un acte volontaire (« Système nerveux : centres nerveux, nerfs et message nerveux »). Ici, on suit l’ordre jusqu’au muscle qui travaille.
Le mouvement est contrôlé en permanence : des récepteurs placés dans les muscles, les tendons et les articulations, ainsi que l’oreille interne et les yeux, renseignent les centres nerveux, par des nerfs sensitifs, sur la position et l’effort ; les centres corrigent l’ordre suivant. La commande coordonne aussi les antagonistes : l’un reçoit l’ordre de se contracter pendant que l’autre se relâche.
Si un maillon est coupé, l’ordre n’arrive plus : tout ce qui est commandé en dessous est paralysé, même si les muscles sont intacts.
Une lésion, une paralysie
| Maillon coupé | Conséquence |
|---|---|
| moelle épinière au niveau du dos | jambes paralysées et insensibles, bras normaux : paraplégie |
| moelle épinière au niveau du cou | jambes et bras touchés, plus ou moins selon la hauteur : tétraplégie |
| un nerf | seuls les muscles reliés à ce nerf sont paralysés |
| aucun : les fibres musculaires sont détruites (myopathie) | l’ordre arrive, mais le muscle s’affaiblit |
Sous une lésion de la moelle, muscles et nerfs fonctionnent encore : stimulés directement par un courant électrique, les muscles se contractent. Ce qui manque, c’est l’ordre venu du cerveau, et les sensations qui ne remontent plus.
Pour lever la main en classe : aire motrice du cerveau → moelle épinière → nerf moteur → jonction neuromusculaire → muscles de l’épaule, qui se contractent ; les récepteurs de l’épaule renseignent le cerveau sur la hauteur atteinte.
Une lésion de la moelle épinière au bas du dos : les ordres du cerveau ne descendent plus vers les jambes, et rien de ce qu’elles touchent n’est senti. Les bras, commandés par la partie de la moelle située au-dessus, fonctionnent normalement.
Réflexe — pour expliquer une paralysie, je suis le trajet de l’ordre (aire motrice → moelle épinière → nerf moteur → jonction → muscle) et je cherche le maillon coupé : tout ce qui dépend des maillons situés après lui ne reçoit plus d’ordre.
Attention — un muscle paralysé n’est pas forcément abîmé : le plus souvent, c’est la commande qui manque (moelle ou nerf). Et commande et sensations empruntent des voies différentes : on peut perdre l’une sans perdre l’autre.
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Ce que consomme un muscle qui travaille
Rappel. En 5e, tu as vu que chaque cellule libère l’énergie du glucose par la respiration cellulaire (glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau + énergie) et que le sang apporte le dioxygène et les nutriments aux muscles (« Nutrition des organes : besoins des cellules et transport par le sang »).
Une partie seulement de l’énergie libérée (environ 20 à 25 %) devient mouvement ; le reste part en chaleur. C’est pourquoi on a chaud à l’effort et on transpire : en s’évaporant, la sueur refroidit le corps.
Plus l’effort est intense, plus l’organisme consomme de dioxygène, jusqu’à un plafond : la consommation maximale de dioxygène, ou VO₂max. Une fois ce plafond atteint, augmenter l’effort n’augmente plus la consommation de dioxygène.
Au-delà, l’effort ne dure que peu de temps : le muscle libère une partie de l’énergie sans dioxygène, ce qui produit de l’acide lactique et le fatigue vite. À l’arrêt, on continue de respirer fort quelques minutes : c’est la dette d’oxygène, que l’organisme rembourse.
Comparer des consommations de dioxygène
On mesure le dioxygène consommé en analysant l’air inspiré et expiré, en litres par minute (L/min). Pour comparer des personnes de masses différentes, on divise par la masse : la VO₂max s’exprime alors en millilitres par minute et par kilogramme (mL/min/kg).
| Consommation de dioxygène | Valeur habituelle |
|---|---|
| adulte au repos | environ 0,25 L/min |
| VO₂max d’une femme non entraînée | environ 27 à 31 mL/min/kg |
| VO₂max d’un homme non entraîné | environ 35 à 40 mL/min/kg |
| VO₂max des meilleurs coureurs de fond, cyclistes ou skieurs de fond | de 70 à plus de 90 mL/min/kg |
Une handballeuse de 55 kg a une VO₂max de 2,2 L/min, soit 2 200 mL/min. Par kilogramme : 2 200 ÷ 55 = 40 mL/min/kg.
Sur 100 kJ d’énergie libérée dans ses muscles, un cycliste en envoie environ 20 à 25 kJ dans les pédales : 75 à 80 kJ réchauffent son corps.
Réflexe — pour comparer deux sportifs, je convertis en mL/min (× 1 000), puis je divise par la masse en kg : c’est la VO₂max par kilogramme qui compte.
Attention — la VO₂max n’est pas la consommation à un moment donné : c’est son plafond. Sur un tableau, je la reconnais au palier : la puissance augmente, la consommation de dioxygène ne bouge presque plus.
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Cœur et ventilation : un réglage nerveux et hormonal
Rappel. En 5e, tu as vu qu’à l’effort la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire et les volumes augmentent, que débit = fréquence × volume, et que la récupération ramène peu à peu les valeurs de repos (« Nutrition des organes »). En 3e, on cherche qui commande ces réglages et où ils s’arrêtent.
– des récepteurs détectent la hausse du dioxyde de carbone dans le sang et l’activité des muscles ;
– des centres nerveux du tronc cérébral (le bulbe rachidien) modifient les messages envoyés par des nerfs au cœur et aux muscles de la respiration (diaphragme, muscles entre les côtes) : le cœur bat plus vite et plus fort, la ventilation s’accélère et s’approfondit ;
– une hormone, l’adrénaline, libérée dans le sang par les glandes surrénales, accélère aussi le cœur. Le message nerveux agit en une fraction de seconde ; l’hormone, transportée par le sang, agit plus lentement mais plus longtemps.
Le cœur a son propre rythme : un cœur greffé, dont les nerfs ont été coupés, bat seul. Les nerfs l’accélèrent ou le ralentissent.
Le sang est redistribué : les vaisseaux des muscles actifs s’élargissent, ceux du tube digestif et des reins se resserrent. Les muscles reçoivent environ 20 % du débit cardiaque au repos, environ 80 % à l’effort maximal.
Ces réglages commencent avant l’effort : se préparer à courir suffit à accélérer le cœur.
Des limites
La fréquence cardiaque maximale baisse avec l’âge ; on l’estime par la formule approchée 220 − âge (l’écart réel peut dépasser 10 battements par minute). Le volume éjecté à chaque battement plafonne lui aussi. Quand fréquence et volume sont au maximum, le débit cardiaque ne peut plus augmenter : c’est l’une des causes du plafond de la consommation de dioxygène.
Fréquence cardiaque maximale estimée à 14 ans : 220 − 14 = 206 battements par minute ; à 45 ans : 220 − 45 = 175.
Une nageuse attend le départ sur son plot : son cœur accélère avant qu’elle ait bougé. Les centres nerveux l’accélèrent par les nerfs, en une fraction de seconde, puis l’adrénaline, libérée dans le sang, prolonge l’effet.
Réflexe — devant une adaptation, je donne la chaîne : récepteur → centre nerveux (ou hormone) → organe qui répond (cœur, muscles respiratoires, vaisseaux) → effet sur l’apport de dioxygène et de glucose ou sur l’évacuation du dioxyde de carbone.
Attention — on ne respire pas plus pour « apporter du dioxyde de carbone » aux muscles : c’est un déchet. C’est sa hausse dans le sang qui déclenche l’accélération de la ventilation, qui l’évacue et apporte plus de dioxygène.
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Limites, blessures et dopage
Trop d’effort, ou un effort mal préparé, blesse. L’échauffement (muscles plus chauds et plus souples), l’hydratation, la progressivité et le repos réduisent ces risques.
Le dopage est l’usage de substances ou de méthodes interdites pour augmenter artificiellement ses performances. L’Agence mondiale antidopage (AMA) publie chaque année la liste des interdictions : une substance y entre si elle remplit au moins deux des trois critères suivants : elle améliore (ou peut améliorer) la performance ; elle présente un risque pour la santé ; elle est contraire à l’esprit sportif.
Les blessures
| Blessure | Ce qui est touché |
|---|---|
| entorse | un ligament étiré ou déchiré (cheville, genou) |
| claquage, déchirure | des fibres musculaires rompues pendant une contraction violente |
| tendinite | un tendon enflammé par la répétition du même geste |
| luxation | un os sorti de son articulation (épaule) |
| fracture | un os cassé ; fracture de fatigue : fêlure due à des chocs répétés |
Les courbatures, qui apparaissent un à deux jours après un effort inhabituel, viennent de minuscules lésions des fibres musculaires ; l’acide lactique, lui, est éliminé en une heure environ : il n’en est pas la cause.
Les principaux produits dopants
| Produit | Effet recherché | Danger |
|---|---|---|
| EPO (hormone fabriquée normalement par les reins) ; transfusions de sang | plus de globules rouges, donc plus de dioxygène transporté | sang épaissi : caillots, infarctus, accident vasculaire cérébral |
| stéroïdes anabolisants | plus de muscle | troubles hormonaux, foie et cœur abîmés, agressivité |
| stimulants (amphétamines) | la fatigue n’est plus ressentie | l’organisme dépasse ses limites : coup de chaleur, troubles du cœur |
Un skieur chute, son genou se tord et gonfle : un ligament est étiré, c’est une entorse, pas une blessure du muscle.
Un coureur injecte de l’EPO : sa moelle osseuse fabrique plus de globules rouges, son sang transporte plus de dioxygène, ses muscles tiennent plus longtemps (gain). Mais son sang, plus épais, circule mal et peut former un caillot qui bouche un vaisseau (danger).
Réflexe — pour un produit dopant, je donne le gain (quel maillon de l’apport de dioxygène ou du muscle il renforce), puis le danger (quel organe il menace).
Attention — entorse = ligament, claquage = muscle, tendinite = tendon. Et les courbatures ne viennent pas de l’acide lactique.
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Entraînement et sédentarité
À l’inverse, la sédentarité (rester longtemps assis, devant les écrans, se déplacer en voiture) affaiblit le cœur et les muscles et favorise le surpoids, le diabète de type 2 et les maladies cardiovasculaires.
L’Organisation mondiale de la santé (OMS) recommande aux 5-17 ans au moins 60 minutes par jour en moyenne d’activité physique d’intensité modérée à soutenue, surtout d’endurance, dont des activités intenses et de renforcement des muscles et des os au moins 3 jours par semaine, et de limiter le temps passé assis, surtout devant les écrans. Pour un adulte : au moins 150 à 300 minutes d’activité modérée par semaine.
Où en sont les adolescents ?
D’après une étude publiée par l’OMS en 2019 (données de 2016), 81 % des 11-17 ans dans le monde, et 87 % en France, n’atteignaient pas ces 60 minutes par jour.
Avant trois mois de course à pied, le cœur de Malo bat à 76 au repos et à 168 sur un footing donné ; après, à 64 et 146. À effort égal, son cœur bat 168 − 146 = 22 battements par minute de moins : chaque battement éjecte plus de sang.
Un élève bouge 30 min le lundi, 0 le mardi, 120 le mercredi, 45 le jeudi, 30 le vendredi, 90 le samedi et 0 le dimanche : 315 min en 7 jours, soit 315 ÷ 7 = 45 min par jour en moyenne, en dessous des 60 minutes.
Réflexe — pour reconnaître le plus entraîné de deux personnes : fréquence de repos plus basse, hausse plus faible à effort égal, récupération plus rapide.
Attention — un cœur de sportif qui bat lentement au repos n’est pas un cœur faible : il éjecte plus de sang à chaque battement. Et la recommandation de l’OMS est une moyenne sur la semaine : une seule grosse séance ne compense pas six jours assis. Enfin, dans une enquête, deux grandeurs qui varient ensemble ne prouvent pas que l’une cause l’autre : un troisième facteur peut expliquer les deux (une corrélation n’est pas une cause).
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs ou ont été vues avant.
- Le neurone, la synapse, le réflexe et l’arc réflexe, les aires du cerveau et la commande croisée : vus en 4e, chapitre « Système nerveux : centres nerveux, nerfs et message nerveux ».
- La respiration cellulaire, les échanges aux poumons et aux muscles, le sang et le cœur, le calcul des débits : vus en 5e, chapitre « Nutrition des organes : besoins des cellules et transport par le sang ».
- D’où vient l’énergie : les aliments, les besoins énergétiques selon l’activité et la ration équilibrée du sportif : chapitre « Alimentation : des aliments aux nutriments et à la santé ».
- Les substances qui agissent sur le cerveau et la dépendance : chapitre « Conduites addictives : cerveau, substances et dépendance ».
- Un muscle ne fait que se contracter : il se raccourcit et tire sur l’os par son tendon ; deux muscles antagonistes, de part et d’autre d’une articulation tenue par des ligaments, font l’aller-retour.
- L’ordre de contraction naît dans l’aire motrice du cerveau, descend la moelle épinière, sort par un nerf moteur et passe au muscle par la jonction neuromusculaire ; des récepteurs renseignent les centres en continu. Un maillon coupé paralyse ce qui en dépend.
- Le muscle tire son énergie du glucose (sang, glycogène) et du dioxygène apporté par le sang ; les trois quarts environ partent en chaleur. La consommation de dioxygène plafonne à la VO₂max ; au-delà, l’effort sans dioxygène est bref et crée une dette d’oxygène.
- Le cœur et la ventilation sont réglés par des centres nerveux du tronc cérébral et par l’adrénaline, dès avant l’effort ; le sang est redistribué vers les muscles ; la fréquence cardiaque maximale vaut environ 220 − âge.
- L’organisme a des limites (glycogène, chaleur) ; blessures et dopage les révèlent ; l’entraînement les recule, la sédentarité affaiblit l’organisme : au moins 60 minutes d’activité par jour en moyenne de 5 à 17 ans.
Questions fréquentes
Pourquoi faut-il deux muscles pour plier puis tendre le bras ?
Parce qu’un muscle ne fait que se contracter : il se raccourcit et tire sur l’os par son tendon, il ne pousse jamais. Le biceps plie le coude, le triceps le tend : ce sont deux muscles antagonistes, quand l’un se contracte l’autre se relâche.
Comment le cerveau commande-t-il un muscle ?
L’ordre naît dans l’aire motrice du cerveau, descend la moelle épinière, sort par un nerf moteur et déclenche la contraction au niveau de la jonction neuromusculaire. Des récepteurs des muscles et des articulations renseignent les centres nerveux, qui corrigent le mouvement. Si la moelle est coupée, les muscles situés en dessous sont paralysés.
Qu’est-ce que la VO₂max ?
C’est la consommation maximale de dioxygène : le plafond de dioxygène que l’organisme peut consommer par minute pendant un effort. On la donne en L/min ou, pour comparer des personnes, en mL/min/kg. Au-delà, le muscle travaille en partie sans dioxygène et se fatigue vite.
Pourquoi le cœur accélère-t-il pendant l’effort ?
Des récepteurs détectent la hausse du dioxyde de carbone et l’activité des muscles ; des centres nerveux du tronc cérébral accélèrent le cœur par des nerfs, et l’adrénaline, une hormone, renforce l’effet. Le cœur envoie ainsi plus de sang, donc plus de dioxygène et de glucose, aux muscles.
Pourquoi le dopage à l’EPO est-il dangereux ?
L’EPO fait fabriquer plus de globules rouges : le sang transporte plus de dioxygène, mais il devient épais, circule mal et peut former des caillots qui provoquent un infarctus ou un accident vasculaire cérébral. C’est pourquoi l’Agence mondiale antidopage l’interdit.
Combien de temps faut-il bouger par jour quand on est ado ?
L’OMS recommande aux 5-17 ans au moins 60 minutes par jour en moyenne d’activité modérée à soutenue, avec des activités intenses et de renforcement au moins 3 jours par semaine. L’entraînement rend le cœur plus puissant ; la sédentarité favorise surpoids, diabète de type 2 et maladies cardiovasculaires.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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