Réponses de l’appareil cardio-vasculaire à un effort musculaire (TP – 2nde)

Cette leçon s’inscrit dans la première partie du programme de Seconde « L’organisme en fonctionnement ». Cette partie a pour objet de sensibiliser les élèves à la notion d’intégration des fonctions dans l’organisme, avec comme support, l’étude des variations des paramètres cardio-respiratoires du corps humain au cours de l’exercice physique. On se limitera ici aux variations touchant à l’appareil circulatoire, c’est-à-dire aux variations cardio-vasculaires assurant l’approvisionnement des organes en oxygène au cours de l’effort. Les acquis Les acquis sont principalement ceux de la classe de 5ème : « Fonctionnement de l’organisme et besoin en énergie » : on montre notamment que :

- le fonctionnement de l’organisme requiert de l’énergie. - le fonctionnement et l’organisation des appareils digestif, respiratoire et circulatoire

contribuent à approvisionner les organes en matériaux pouvant libérer de l’énergie. Fonctionnement des organes : On montre que les organes prélèvent en permanence nutriments et oxygène dans le sang, dans lequel ils rejettent des déchets (dioxyde de carbone). On montre également que la consommation des organes en nutriments et en oxygène s’accroît avec leur activité . Au niveau de l’organisme, cette consommation accrue se traduit par différentes modifications (augmentation notamment du rythme cardiaque et respiratoire). Circulation sanguine : Le trajet du sang est établi et un schéma de la circulation sanguine est présenté, avec la définition fonctionnelle de ses différents secteurs, artères, capillaires et veines. Le coeur est étudié (réalisation d’une dissection) en relation avec sa fonction de mise en mouvement du sang. Une partie de ces notions est reprise en classe de Seconde, dans le début de cette première partie. On pourra ainsi considérer en acquis, construits dans les séances précédant cette leçon :

- les caractères essentiels du circuit sanguin : circulation en série, circulation en parallèle.

- l’organisation anatomique et fonctionnelle du coeur : les différentes parties du coeur, la circulation orientée du sang dans le coeur en relation avec le rôle des valvules.

Introduction On rappelle que la réalisation d’un exercice physique s’accompagne de modifications de l’activité cardio-vasculaire, la plus nette étant l’augmentation de la fréquence cardiaque. Les acquis ont permis de rappeler que l’augmentation de l’activité physique s’accompagnait d’un accroissement de la consommation de dioxygène et de nutriments par les

cellules musculaires. Il conviendra donc de comprendre comment un approvisionnement accru peut être obtenu au niveau de l’organe en exercice. Une proposition de plan I / Les modifications cardio-vasculaires au cours d’un exercice physique 1 / Variations de la fréquence cardiaque au cours de l’activité musculaire

Poste 1 2 / Modifications de la distribution sanguine au cours de l’activité musculaire

Poste 2 II / Signification physiologique des modifications enregistrées Il s’agit alors de montrer, à partir des connaissances acquises dans les classes antérieures, en quoi les modifications enregistrées contribuent à assurer un apport accru d’oxygène aux muscles.

Poste 3 III / Mécanismes d’ajustement des apports en oxygène 1 / Augmentation du débit cardiaque Poste 4 2 / Modifications de la distribution sanguine Poste 5 Les postes - Poste 1: Il s’agit d’étudier les modifications de l’activité cardiaque qui accompagnent l’activité musculaire. On s’intéressera aux variations de la fréquence cardiaque qui peuvent être enregistrées par EXAO. Puisqu’il s’agit dans le programme d’associer aux mesures cardiaques des mesures de débit ventilatoire, pour s’intéresser à la consommation d’oxygène , on aura soin de développer une activité physique aérobie. Celle-ci doit correspondre plutôt à un exercice d’intensité modérée, qu’il conviendra de prolonger pendant quelque temps : la réalisation rapide de flexions apparaît ainsi peu adaptée aux objectifs, mieux servis par un exercice de pédalage ou de course sur tapis pendant quelques minutes.

objectifs cognitifs : - Variations de l’activité cardiaque au cours d’un exercice musculaire. objectifs méthodologiques :

- Réaliser techniquement : utilisation d’un montage EXAO. - Exploiter des enregistrements.

supports didactiques :

- Montage EXAO permettant l’enregistrement de la fréquence cardiaque. - Enregistrements. - Courbes présentant l’évolution de la fréquence cardiaque, du volume d’éjection systolique au cours d’un exercice.

activité et production de l'élève : - Mise en œuvre du protocole expérimental pour réaliser un enregistrement.

- Analyse d’un enregistrement : mesure de la fréquence cardiaque au repos, puis à la fin de l’exercice. - Utilisation des documents pour calculer le débit cardiaque.

notions construites : Au cours d’un exercice musculaire, la fréquence cardiaque, voisine de 70 battements par minute au repos, augmente. Le débit cardiaque correspond au produit de la fréquence cardiaque par le volume d’éjection systolique L’augmentation du débit cardiaque découle d’un accroissement de la fréquence cardiaque et d’une augmentation (plus modérée) du volume d’éjection systolique. (On pourra évoquer ici l’existence d’une fréquence cardiaque maximale (que l’on reliera plus loin à l’existence d’une consommation d’oxygène maximale (VO2 max)).

- Poste 2 :

On s’intéresse maintenant à l’évolution des paramètres vasculaires au niveau des organes en activité au cours de l’exercice, c’est-à-dire les muscles.

objectifs cognitifs : - Évolution des débits sanguins traversant les différents organes au cours d’un exercice. objectifs méthodologiques : -Analyser des résultats expérimentaux pour formuler des hypothèses. - Effectuer une synthèse.

supports didactiques : - Mesures du débit cardiaque et des débits traversant les différents organes, au repos, puis au cours d’un exercice d’intensité croissante.

activité et production de l'élève : - Étude des principales modifications que montre la circulation sanguine au repos et lors de l'exercice physique (étude en valeurs absolues et relatives). - Comparaison des valeurs entre la situation de repos et l’exercice pour regrouper les organes montrant des évolutions comparables. notions construites : Le débit cardiaque augmente avec une modification importante de la distribution qui privilégie la perfusion des muscles. (...) - Poste 3: On peut alors s’intéresser plus précisément à la consommation d’oxygène par les muscles et à son évolution lors de l’exercice, consommation qu’il faut relier aux paramètres étudiés dans les postes 1 et 2.

objectifs cognitifs :

- Relations entre apport d’oxygène et paramètres cardiaques et sanguins. objectifs méthodologiques : - Mettre en relation des informations pour résoudre un problème posé.

supports didactiques :

- Données physiologiques : concentration en oxygène des sangs artériel et veineux systémiques, débit sanguin traversant les muscles (données au repos et au cours de l’exercice). activité et production de l'élève : - Exploitation des données pour calculer la consommation en oxygène par unité de temps au repos, puis au cours de l’exercice. - Le même calcul est effectué à l’échelle de l’organisme. notions construites :

La consommation en oxygène d’un organe par unité de temps est obtenue en multipliant la différence artério-veineuse en oxygène par le débit sanguin traversant l’organe. La différence artério-veineuse s’accroît avec l’intensité de l’exercice. Le débit cardiaque augmente avec une modification importante de la distribution qui privilégie la perfusion des muscles : ces deux facteurs accroissent de manière considérable l’apport d’oxygène aux muscles. À l’échelle de l’organisme : La concentration en oxygène du sang artériel reste constante, alors que la consommation en oxygène et les débits sanguins augmentent : ceci impose une recharge accrue au niveau pulmonaire et qui nécessite un accroissement de la ventilation.

- Poste 4 :

Les postes précédents ont mis en évidence une augmentation de la fréquence cardiaque (et du volume d’éjection systolique). Il convient alors de rechercher un mécanisme explicatif à ces variations.

L’étude du cœur (observation des quatre cavités et du jeu des valvules), au programme de la classe, n’apparaît pas s’intégrer en elle-même dans la problématique de cette leçon. On ne retiendra ici que les observations servant les objectifs définis. objectifs cognitifs : - Modulation nerveuse de la fréquence cardiaque au cours d’un exercice. objectifs méthodologiques :

- Saisir des informations pour formuler une hypothèse explicative. supports didactiques :

- Analyse de documents montrant l’existence d’une modulation nerveuse de la fréquence cardiaque et conduisant à la mise en évidence des rôles de l’innervation sympathique et parasympathique.

Étude des effets d’une dénervation, dans une situation de repos puis au cours d’un exercice. La dénervation peut être chirurgicale (étude chez l’animal, étude dans le cas d’une transplantation cardiaque). Elle peut être pharmacologique (étude expérimentale chez l’homme, avec, par exemple, utilisation d’antagonistes des transmetteurs, atropine et propranolol).

activité et production de l'élève : - Interprétation des résultats et formulation d’hypothèses. Rmq : les résultats observés au repos pour un cœur dénervé révèlent l’existence d’une activité intrinsèque du cœur (automatisme cardiaque). Cette observation, inscrite au programme de la classe, ne sera pas développée ici, dans la problématique retenue. notions construites : La fréquence cardiaque est contrôlée par des fibres nerveuses parasympathiques et sympathiques. Au cours d’un exercice, la réduction de l’activité permanente des fibres parasympathiques diminue l’inhibition qu’elles exercent sur le cœur, dont la fréquence de contraction augmente. Cette accélération résulte également de l’augmentation de l’activité des fibres sympathiques, et qui accroît aussi la puissance des contractions (augmentation du volume d’éjection systolique). - Poste 5:

Outre l’augmentation générale du débit, l’exercice physique est également marqué par une redistribution des flux sanguins, qui se réalisent de manière privilégiée vers les muscles. On recherche alors un mécanisme explicatif, ce qui conduit à l’observation des supports anatomiques, les artérioles.

objectifs cognitifs : - Vasomotricité et modifications des débits sanguins. objectifs méthodologiques : - Observer une préparation microscopique. - Réaliser un dessin d’observation ou un schéma d’interprétation (selon la complexité du support). supports didactiques : - Coupe microscopique d’une artériole. -Éventuellement observations de clichés faisant apparaître des variations de diamètre. - Observations de clichés montrant les modifications de la circulation capillaire.

activité et production de l'élève : - Réalisation d’un dessin d’observation (ou d’un schéma d’interprétation). - Formulation d’une hypothèse expliquant les variations de débit au sein d’un organe. notions construites : La paroi d’une artériole contient des fibres musculaires, qui permettent de faire varier le diamètre du vaisseau. Une diminution de diamètre, ou vasoconstriction, réduit le débit sanguin. Une augmentation de diamètre, ou vasodilatation, a l’effet inverse. Les modifications du débit sanguin dans un organe sont liées à la vasomotricité des artérioles. On observe également une augmentation de la circulation capillaire (recrutement des capillaires par ouverture des sphincters). Orientations bibliographiques : VANDER A. J. & coll. (1996). - Physiologie humaine. McGraw-Hill éd. WILMORE et COSTILL: Physiologie du sport et exercice physique.1998, 2006 (De Boeck) FLANDROIS R. & MONOD H. (1995). - Physiologie du sport. Masson éd. Quelques documents

VANDER A. J. & coll. (1996). - Physiologie humaine. McGraw-Hill éd.

La consommation d’oxygène est donnée en % du VO2 max. FC : fréquence cardiaque. Triangles : conditions témoins. Cercles vides : enregistrement après blocage des récepteurs cholinergiques par l’atropine (blocage de l’effet des fibres parasympathiques). Carrés : enregistrement après blocage des récepteurs adrénergiques par le propranolol (blocage de l’effet des fibres sympathiques). Cercles pleins : enregistrement après blocage de tous les récepteurs par l’atropine et le propranolol.

FLANDROIS R. & MONOD H. (1995). - Physiologie du sport. Masson éd.

Concentrations en oxygène du sang artériel et du sang veineux de la circulation générale pour des exercices d’intensité croissante

Mesure de quelques paramètres cardiovasculaires et respiratoires chez deux sujets.