Fitness - Santé : adaptation de l'appareil respiratoire à l'effort

respiration effortLe système respiratoire et cardio-vasculaire permet de remplir ces fonctions. L'échange de l'oxygène et du gaz carbonique (appelé respiration), entre la cellule et le milieu extérieur, est assuré par la ventilation et la diffusion.

La ventilation

La ventilation se fait par les voies aériennes et les poumons.

Les voies aériennes

Sont composées de conduits qui apportent l'air aux alvéoles pulmonaires: les fosses nasales, le pharynx (carrefour des voies respiratoires et digestives), le larynx, la trachée et les bronches. Le rôle de ces voies pulmonaires est d'assurer l'épuration et la filtration de l'air inspiré.

Les poumons

Au nombre de deux (un droit et un gauche), les poumons sont situés dans la cage thoracique. Ils sont séparés par le coeur ainsi que des vaisseaux sanguins. En pénétrant dans les poumons, les bronches se divisent en passages étroits appelés bronchioles.

Les bronchioles se terminent en formant des petits sacs appelés alvéoles pulmonaires. Les bronchioles véhiculent l'air vers les alvéoles pulmonaires.

Les poumons sont recouverts d'une membrane, la plèvre qui assure la lubrification des organes respiratoires évitant ainsi les frottements contre les côtes et les autres organes pendant la respiration.

Mécanique ventilatoire

Dans l'appareil respiratoire, l'air est mobilisé par l'action des muscles respiratoires. La ventilation est composée de cycles respiratoires (mouvements d'inspiration et d'expiration).

Au repos, la fréquence ventilatoire est d'environ 12 à 20 cycles par minute et peut augmenter jusqu'à 30 cycles lors d'exercices musculaires intenses.

L'inspiration

Consiste à faire pénétrer l'air extérieur, dans l'appareil respiratoire. Elle est assurée par un muscle large en forme de coupole: Le diaphragme. Celui-ci forme une séparation entre l'abdomen et le thorax.

Son action est renforcée par des muscles accessoires appelés muscles inspirateurs (sterno-cléïdo-occipito-mastoidiens, scalènes). Ceux-ci participent davantage lors d'inspirations forcées.

L'expiration

Consiste à évacuer le gaz carbonique hors de l'appareil ventilatoire, vers l'air extérieur. Au repos, l'expiration est assurée essentiellement par l'élasticité des poumons.

Lors d'une expiration forcée, l'évacuation est renforcée par la contraction des muscles abdominaux.

Les volumes pulmonaires

Les poumons possèdent un certain nombre de volumes respiratoires:

Le volume courant

C'est le volume d'air entrant et sortant des poumons, lors de chaque respiration au repos. Il est d'environ 0.5 litre.

Le volume de réserve inspiratoire

C'est le volume d'air le plus grand qu'une personne peut inspirer (gonfler les poumons), après une inspiration normale de repos. Il est d'environ 2.5 litres.

Le volume de réserve expiratoire

C'est le volume d'air le plus grand qu'une personne peut expirer (vider les poumons), après une expiration normale de repos. Il est d'environ 1.5 litre.

La capacité vitale

C'est le volume d'air maximal d'air pouvant être expiré (en expiration forcée) après une inspiration forcée. Elle est d'environ 4.5 litres.

Le volume résiduel

A la suite d'une expiration forcée, il reste dans les poumons une quantité d'air d'environ 1.5 litre. C'est le volume résiduel.

La capacité pulmonaire totale

C'est le volume d'air contenu dans les poumons suite à une inspiration forcée maximale. Il est d'environ 6 litres. Après une expiration normale, il reste un volume de gaz dans les poumons qui est la capacité résiduelle fonctionnelle.

La diffusion

Le réseau capillaire situé dans le tissu alvéolaire permet l'échange de gaz entre l'air contenu dans les alvéoles et les cellules sanguines à l'intérieur des capillaires sanguins. Les capillaires sont si minuscules qu'ils ne permettent le passage que d'une seule cellule sanguine à la fois. Ce passage des cellules une à une et l'action de la membrane très fine et semi-perméable séparant le sac alvéolaire des capillaires, permettent à l'osmose de se faire.

L'osmose est le processus de passage d'une substance (dans ce cas l'oxygène et le gaz carbonique) à travers une membrane semi-perméable d'une région à haute concentration vers une région à concentration plus faible. Les cellules sanguines passant à travers les capillaires sont pauvres en oxygène et riches en gaz carbonique et autres déchets gazeux.

Il en résulte que le gaz carbonique traverse la membrane par un phénomène d'osmose et passe dans l'air contenu dans les alvéoles (qui est moins riche en gaz carbonique). De la même manière, l'oxygène de l'air, contenu dans les alvéoles, traverse la membrane par osmose et rejoint les cellules sanguines. Ainsi, le sang se débarrasse de l'excès de gaz carbonique (qui est par la suite expiré) et se régénère en oxygène.

LE DIAPHRAGME

Rappel anatomique

Le diaphragme est le principal muscle responsable de la respiration. Il est attaché à la paroi abdominale, aux vertèbres lombaires, aux dernières côtes et au sternum par un tissu tendineux. Il sépare la cavité thoracique de la cavité abdominale. Le diaphragme a la forme d'une voûte. Il est percé par des orifices qui laissent le passage à des vaisseaux (artères et veines), à des nerfs et à l'oesophage.

Mécanisme du diaphragme

Les fibres musculaires du diaphragme en se contractant abaissent le centre phrénique. Le diamètre vertical du thorax se trouve agrandi. L'abaissement du centre phrénique est limité par la masse des viscères abdominaux.

Ceux-ci faisant résistance, le centre phrénique devient alors un point d'appui et les fibres musculaires du diaphragme continuant leur contraction vont devenir élévatrices des côtes inférieures et du sternum. Le diaphragme provoque une augmentation du diamètre transversal de la cage thoracique.

ADAPTATION RESPIRATOIRE A L'EFFORT

Afin que les cellules musculaires puissent fonctionner normalement, elles doivent recevoir de l'oxygène, des nutriments nécessaires.

De même, pour évacuer le gaz carbonique produit lors de la contraction musculaire, l'organisme possède deux systèmes ( respiratoire et circulatoire) qui travaillent ensemble pour assurer ces fonctions.

Il faut distinguer deux types d'efforts pendant lesquels ces systèmes s'adapteront différemment:

L'effort dynamiquequi est caractérisé par des contractions et relâchements musculaires avec fréquences respiratoires et circulatoires élevées. Les efforts intenses s'effectuent en blocage respiratoire.

L'effort statique : qui s'effectue en blocage respiratoire. L'adaptation se fait après l'effort. Les exercices statiques de faible intensité s'effectuent en respiration haletante.

Adaptation respiratoire à l'effort dynamique

La fréquence ventilatoire

Au repos, la fréquence ventilatoire est de 12 à 20 mouvements respiratoires par minute.

A l'effort, elle atteint 30 et même exceptionnellement 60 respirations par minute.

On remarque que l'inspiration devient plus profonde et l'expiration active.

Le débit

Au repos, le débit ventilatoire est de 7 litres par minute. A l'effort il peut atteindre 60 à 70 litres par minute. Le débit maximum est obtenu à la fréquence cardiaque de 170 pulsations par minute.

Modifications physico-chimiques

Pendant l'effort, la consommation d'oxygène est multipliée par 3 à 10. Au niveau des tissus, on note une augmentation du débit sanguin ainsi qu'une mise en service de tous les capillaires sanguins.

Adaptation à l'effort d'endurance et de résistance

Le début de l'exercice

En début d'exercice, l'augmentation de la ventilation se fait en deux temps:

La première phase rapide

La puissance de l'exercice détermine une augmentation de la fréquence et de l'amplitude des mouvements respiratoires. Ceci est dû à l'action des influx nerveux provenant des faisceaux neuro-musculaires des muscles en activité qui jouent le rôle d'activateur.

Deuxième phase lente

Cette phase correspond à l'adaptation fine du débit ventilatoire. Elle est assurée par des récepteurs sensibles aux variations de la concentration en ions hydrogène H+. Toute modification de la concentration en ions H+, sensibilise les récepteurs centraux, qui, en réponse augmentent le débit ventilatoire permettant l'élimination du gaz carbonique. Pendant l'effort, l'élévation de la température augmente également la ventilation.

Lors d'effort de type endurance, un plateau de travail est atteint: c'est-à-dire que la demande et l'offre en oxygène sont en équilibre: c'est le second souffle.

Dans le cas d'un effort de type résistance, il n'y a pas de plateau de travail et la production importante de gaz carbonique, provoque l'essoufflement.

L'essoufflement

Pendant l'effort de résistance, il y a production de déchets: les lactates. Le sang devient acide et perd sa capacité de transporter le gaz carbonique. Les lactates vont exciter les centres inspiratoires.

Ceux-ci sont plus sensibles que les centres expiratoires, ils vont faciliter l'inspiration mais l'expiration devient difficile d'où une évacuation incomplète du gaz carbonique qui s'accumulera intoxiquant l'organisme et déclenchant l'essoufflement.

L'expiration devient de plus en plus difficile et oblige le pratiquant à s'arrêter, thorax bloqué en inspiration forcée, incapable de vider ses poumons.

La fin de l'exercice

A la fin de l'exercice, on observe deux phases de décrochage ventilatoire :

La première phase (rapide)

Les muscles devenus inactifs ne stimuleront plus la ventilation par le facteur neurogénique. La ventilation va chuter brutalement.

La deuxième phase

En début d'exercice, l'adaptation cardio-respiratoire demande une certaine inertie et ne peut pas répondre immédiatement à la demande de l'organisme. Il va se créer une dette d'oxygène que l'organisme devra payer à l'arrêt de celui-ci. Cette deuxième phase correspond au paiement de la dette d'oxygène.

Adaptation à l'effort statique

Les efforts statiques ou dynamiques de très grande intensité s'effectuent en blocage respiratoire.

Le blocage respiratoire

Le sportif fait une inspiration forcée, bloque sa glotte, les muscles expirateurs se contractent statiquement et l'air se trouve comprimé dans la cage thoracique. Celle-ci forme un bloc rigide, les muscles réalisant le mouvement peuvent prendre un appui solide sur la cage thoracique, leur force s'en trouve accrue.

Le blocage respiratoire répété souvent est néfaste pour la santé. La circulation pulmonaire est réduite car la pression intra thoracique pince ses vaisseaux.

Le retour sanguin vers le coeur est ralenti ainsi que la circulation cérébrale. A l'arrêt de l'effort, la circulation se rétablit très rapidement entraînant "un coup de bélier" dangereux pour les personnes ayant des artères surtout cérébrales en mauvais état.

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