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

Cinq problèmes à partir de documents : le tendon d’Achille rompu d’un basketteur, Gert-Jan Oskam qui remarche grâce à deux implants, le test d’effort de Léna et Hugo pour trouver leur VO₂max, le cœur greffé qui accélère grâce à l’adrénaline, l’expérience de Copenhague sur l’EPO et l’autotransfusion.

5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : qui, quel effort, quelle mesure et quelle unité (battements par minute, L/min, mL/min/kg, %).
Je calcule quand il le faut (différence, pourcentage, conversion L → mL, division par la masse), en gardant l’unité.
Je compare à une référence : un témoin, l’autre personne, la valeur de repos, un plafond (fréquence maximale, VO₂max).
J’explique avec la chaîne du cours : besoin du muscle → réponse de l’organisme → commande nerveuse ou hormonale → limite.
Je conclus avec le mot exact : contraction, antagoniste, moelle épinière, VO₂max, adrénaline, dopage.

Problème 1 · Le tendon d’Achille d’un basketteur★★★Facile

Document 1 — Le mollet et son tendon. Le muscle du mollet est relié à l’os du talon par le tendon d’Achille, le plus gros et le plus solide tendon du corps. En se contractant, le mollet tire le talon vers le haut : le pied pointe vers le bas, ce qui permet de se mettre sur la pointe des pieds et de pousser sur le sol à chaque foulée.

Document 2 — Ce que constate le médecin. En prenant appel pour un saut, Théo a senti comme un coup de pied derrière la cheville. Quand il contracte son mollet, le muscle durcit, mais son pied ne pointe presque plus vers le bas, sans aucune force : il ne peut plus se mettre sur la pointe de ce pied. Il relève en revanche normalement la pointe du pied.

1. Le mollet de Théo durcit quand il le commande : il reçoit donc l’ordre et se encore.
Le muscle durcit : il se contracte. La commande nerveuse et le muscle fonctionnent.
2. L’organe rompu, qui ne transmet plus la traction du muscle à l’os du talon, est le d’Achille.
Le tendon d’Achille est rompu : le muscle tire dans le vide.
3. Un camarade parle d’entorse. Il se trompe : une entorse touche un .
Une entorse touche un ligament (os → os) ; ici, c’est un tendon (muscle → os) qui est rompu.
4. Le muscle qui relève la pointe du pied et le mollet sont des muscles .
Ils agissent de part et d’autre de la cheville, en sens opposés : ce sont des muscles antagonistes. L’un fonctionne encore, l’autre n’agit presque plus sur le pied.

Problème 2 · Remarcher grâce à un pont entre le cerveau et la moelle★★★Moyen

Document 1 — Un accident. En 2011, après un accident, la moelle épinière de Gert-Jan Oskam, un Néerlandais, est lésée au niveau du cou : ses jambes sont paralysées, ses bras en partie.

Document 2 — Deux implants. En 2021, des équipes de l’EPFL et du CHUV, en Suisse, et du CEA, en France, lui posent deux implants. Le premier, sur le cerveau, capte les signaux électriques émis quand il veut bouger les jambes. Le second, posé sur la moelle épinière sous la lésion, la stimule par de petits courants. Un ordinateur porté dans un sac à dos traduit les signaux du premier en stimulations du second.

Document 3 — Les résultats (revue Nature, mai 2023). Il se lève, marche plus de 100 mètres d’affilée et monte des escaliers. Après des mois de rééducation, il fait même quelques pas avec des béquilles quand l’appareil est éteint.

1. Le premier implant est posé sur la zone du cerveau qui commande les mouvements volontaires : l’aire .
L’aire motrice : c’est là que naît l’ordre de marcher.
2. Avant les implants, l’ordre ne descendait plus vers les jambes car il ne franchissait plus la lésion de la .
La lésion de la moelle épinière coupait le trajet de l’ordre.
3. Bras et jambes touchés après une lésion au niveau du cou : c’est une .
Une lésion haute, au cou, touche bras et jambes : une tétraplégie.
4. Stimulée sous la lésion, la moelle fait contracter les muscles des jambes : les nerfs moteurs et les muscles des jambes sont donc restés .
Sous la lésion, nerfs moteurs et muscles sont intacts : seul l’ordre venu du cerveau manquait. L’implant fait un « pont » par-dessus la lésion.

Problème 3 · Deux élèves sur un vélo d’effort★★★Moyen

Document 1 — Le test. Léna (50 kg, peu sportive) et Hugo (62 kg, aviron cinq fois par semaine) pédalent sur un vélo dont la résistance augmente de 50 W toutes les 3 minutes, jusqu’à ce qu’ils ne puissent plus suivre. Un masque mesure le dioxygène consommé (L/min).

Puissance (W)	Léna	Hugo
0 (repos)	0,25	0,30
50	0,85	0,85
100	1,40	1,40
150	1,50 (arrêt)	1,95
200	—	2,50
250	—	3,05
300	—	3,10 (arrêt)

Document 2 — Le cœur. Fréquence cardiaque à 100 W : Léna 175, Hugo 130 battements par minute.

1. Entre 50 et 100 W, la consommation de dioxygène augmente de L/min chez chacun.
1,40 − 0,85 = 0,55 L/min : à même puissance, ils consomment autant.
2. La VO₂max de Léna, lue au palier, vaut L/min.
De 100 à 150 W, sa consommation ne monte plus que de 0,10 L/min au lieu de 0,55 : c’est le palier, 1,50 L/min.
3. Par kilogramme, la VO₂max de Léna vaut mL/min/kg.
1 500 ÷ 50 = 30 mL/min/kg.
4. Celle de Hugo vaut mL/min/kg.
Palier à 3,10 L/min : 3 100 ÷ 62 = 50 mL/min/kg.
5. La VO₂max par kilogramme de Hugo dépasse celle de Léna d’environ % (arrondi à l’unité).
(50 − 30) ÷ 30 ≈ 0,667, soit environ 67 %, et non 40 % : le pourcentage se calcule par rapport à la valeur de Léna.
6. À 100 W, pour le même dioxygène consommé, le cœur de Hugo bat fois de moins par minute que celui de Léna.
175 − 130 = 45 battements de moins : son cœur entraîné éjecte plus de sang à chaque battement.

Problème 4 · Un cœur greffé à l’effort★★★Difficile

Document 1 — Une greffe. Lors d’une greffe, le cœur du donneur est raccordé aux vaisseaux du receveur, mais ses nerfs sont coupés : dans les premiers temps après la greffe, aucun nerf ne le relie plus aux centres nerveux. Il continue pourtant de battre seul.

Document 2 — Fréquence cardiaque pendant 6 minutes de marche rapide en côte sur un tapis, puis 6 minutes de repos (courbes simplifiées, d’après des mesures publiées chez des personnes greffées et non greffées).

Document 3 — L’adrénaline. Chez la personne greffée, la quantité d’adrénaline dans le sang augmente peu à peu pendant l’effort et reste élevée quelques minutes après l’arrêt.

1. Au repos, le cœur de la personne greffée bat à battements par minute.
On lit 100 au départ de la courbe en pointillés, contre 70 pour la personne non greffée.
2. Pendant l’effort, la fréquence de la personne non greffée augmente de battements par minute.
120 − 70 = 50.
3. Celle de la personne greffée augmente de battements par minute.
120 − 100 = 20 seulement.
4. Au début de l’effort, la fréquence de la personne greffée ne bouge pas pendant minute(s).
La courbe en pointillés reste plate de 0 à 1 minute, alors que l’autre monte aussitôt.
5. Privé de nerfs, le cœur greffé accélère quand même : il répond à une hormone, l’.
L’adrénaline (document 3), libérée dans le sang, accélère le cœur. Transportée par le sang, elle agit avec retard : d’où la minute sans changement et la récupération lente.
6. Au repos, sans nerfs, le cœur greffé bat plus vite. Chez une personne non greffée, des nerfs donc le cœur au repos.
Le cœur a son propre rythme, plus rapide ; chez la personne non greffée, des nerfs le ralentissent au repos et l’accélèrent dès le début de l’effort.

Problème 5 · L’EPO : un gain, un danger, une interdiction★★★Difficile

Document 1 — Une expérience (université de Copenhague, publiée en 2007). Des hommes en bonne santé, non sportifs de haut niveau, sont tirés au sort : les uns reçoivent des injections d’EPO pendant 11 semaines, les autres un produit sans effet (placebo), sans savoir ce qu’ils reçoivent. Dans le groupe EPO, après 4 puis 11 semaines, la VO₂max a augmenté d’environ 12 % et le temps tenu sur un vélo à 80 % de la VO₂max de départ d’environ 54 %.

Document 2 — L’autotransfusion. L’autotransfusion consiste à prélever son propre sang plusieurs semaines avant une course, à le conserver, puis à se le réinjecter juste avant : le sang contient alors plus de globules rouges. L’Agence mondiale antidopage l’interdit, comme l’EPO.

Document 3 — Le danger. Plus riche en globules rouges, le sang devient plus épais : il circule moins bien et peut former des caillots.

1. Les hommes qui reçoivent le placebo forment le groupe .
Le groupe témoin : on compare à lui pour savoir si l’effet vient bien de l’EPO.
2. Un homme du groupe EPO tenait 25 minutes à cette intensité avant le traitement. Avec une hausse de 54 %, il tient min.
25 × 1,54 = 38,5 min.
3. Sa VO₂max était de 5 L/min. Avec une hausse de 12 %, elle passe à L/min.
5 × 1,12 = 5,6 L/min.
4. La hausse du temps tenu est fois plus grande que celle de la VO₂max.
54 ÷ 12 = 4,5 : le gain sur la durée de l’effort est bien plus grand que le gain sur la VO₂max.
5. L’EPO et l’autotransfusion augmentent toutes deux le nombre de dans le sang.
Plus de globules rouges, donc plus de dioxygène transporté vers les muscles ; mais un sang épaissi, qui menace de caillots (infarctus, accident vasculaire cérébral).
6. L’autotransfusion n’utilise aucune substance étrangère : elle est interdite comme de dopage.
Le dopage recouvre les substances et les méthodes interdites ; réinjecter son propre sang est une méthode interdite.

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