Chapitre 3: les besoins des organes pour fonctionner

La photo ci-contre montre des personnes en train de courir un marathon. Au bout de quelques kilomètres, ces personnes vont commencer à avoir soif, à être fatiguées et à avoir faim. Ce sont les premiers signes d'une modification du corps lors d'un exercice intense. Mais il en existe d'autres. Les documents ci-dessous vont présenter chaque modification.

J'observe que les photos ci-contre montrent un sportif après un effort physique important. On observe des volutes de fumée au dessu de sa tête: il s'agit d'un dégagement de chaleur très visible au niveau de son crâne chauve.

Les autres photos montrent le pied du sportif avant l'effort (en haut) et après l'effort (en bas). On observe que la chaleur dégagée par le pied a fortement augmenté.

Je conclus que lors d'une importante activité physique, le corps humain dégage davantage de chaleur que lors du repos. L'activité physique est donc liée à une augmentation de la température du corps. Comment expliquer cela?

J'observe sur ce graphique que le rythme cardiaque (appelé aussi la fréquence cardiaque) augmente lorsqu'on démarre une activité physique (environ 170 battements/minutes chez un élève). Une fois l'activité physique terminée, lors de la phase de récupération, on osberve que le rythme cardiaque revient à sa valeur de base (environ 70 battements/minutes chez un collégien) en 5-10 minutes.

Je conclus que lors d'une activité physique, le nombre de battements du coeur augmente fortement.

Hypothèse: on peut supposer qu'il existe un lien entre l'activité physique et le sang transporté par le coeur à chaque battement du coeur.

Le tableau ci-contre montre les mesures du rythme cardiaque et du rythme respiratoire au repos et lors d'une activité physique chez une personne pratiquant du sport une fois par semaine.

Nous observons que le rythme respiratoire (un cycle respiratoire correspond à une inspiration suivie d'une expiration) augmente lors d'un effort physique.

Le schéma ci-contre montre les mesures du "volume courant", c'est-à-dire le volume d'air qui entre et qui sort des poumons lors du cycle respiratoire. Lorsque la courbe passe du bleu au rouge, l'individu passe du repos à une activité physique importante.

On observe que le volume d'air inspiré n'augmente pas immédiatement, ce qui prouve que les poumons accomodent petit à petit (et non pas immédiatement) l'effort respiratoire. De plus on osberve que plus l'effort est important et plus le volume d'air inspiré augmente. Ceci est à mettre en relation avec le tableau précédent où on observe que le rythme respiratoire augmente lors d'une activité physique.

On peut conclure que lors d'une activité physique, le rythme respiratoire (et donc le volume d'air inspiré et expiré) augmente lui aussi.

Le film ci-dessous résume les modifications du corps lors d'un effort physique :

La photo de droite montre le bras d'un athlète. On y voit clairement des vaiseaux sanguins qui parcourent le bras gauche. La photo de droite correspond à une angiographie: il s'agit de faire boire à la personne un liquide qui colore le sang en gris-blanc, ce qui permet d'observer facilement les vaisseaux lors d'une radio. Ces documents montrent que de nombreux vaisseaux sanguins sont présents au niveau des muscles.

Hypothèse: on peut supposer que les muscles (comme les autres organes) ont besoin de sang pour fonctionner.

Mais que contient le sang et en quoi est-il nécessaire aux organes pour fonctionner ?

Ce graphique montre que le débit sanguin dans les muscles au repos est très inférieur (2000 ml/minutes, soit 2L/minutes) au débit sanguin du même muscle lors d'une course. On peut conclure ici que les muscles, comme n'importe quel organe, reçoivent davantage de sang (14L/minutes) lors d'une activité intense. On valide ici notre précédente hypothèse: les muscle ont besoin de davantage de sang pour fonctionner lors d'une activité physique intense.

On vient de voir que le sang est primordial pour le fonctionnement des organes.

Mais que contient le sang de vital pour le fonctionnement des organes ?

Ce tableau détaille les mesures effectuées dans le sang (de capillaires: vaisseaux de petits diamètres présents dans tous les organes, voir photo ci-dessous) qui entre et dans le sang qui sort d'un muscle. On observe que la quantité de dioxygène (on passe de 20mL à 15mL) et de glucose (on passe de 90mg à 87mg) diminue dans le sang qui sort du muscle.

Hypothèse: on peut supposer que le muscle utilise du dioxygène (5 mL) et du glucose (3mg) pour son fonctionnement.

De plus on observe que la quantité de CO2 augmente dans le sang qui sort du muscle. On peut supposer que le muscle, lors de son fonctionnement rejette du CO2 directement ans le sang. N'oubliez pas que le CO2 est un poison pour les cellules qui constituent nos organes et qu'il ne doit jamais s'accumuler).

On peut conclure que le muscle (comme n'importe quel organe) doit utiliser du dioxygène (O2) et des nutriments (comme le glucose) pour fonctionner. Ce fonctionnement crée un déchêt: le dioxyde de carbone (CO2).

Sur ce schéma ci-contre (à gauche), on observe que la composition du sang qui entre dans un muscle au niveau des capillaires (vaisseaux dont le diamètre est très fin qui passent dans tous nos organes) est très différente de la composition du sang qui en sort. Ce schéma détaille, de façon plus parlante, les mesures qu'on a utilisé dans le tableau précédent.

Mais comment le dioxygène et le glucose sont utilisés par les organes? A quoi servent-ils?

Sur ce schéma, on observe un garçon selon 4 cas différents (au repos assis; en marche, en course et en train de nager). On mesure pour chaque cas l'énergie dépensée (en jaune), le glucose consommé (en vert) et le dioxygène consommé (en rouge).

On osberve que selon l'activité physique, la dépense énergétique varie fortement: lorsqu'on est assis, nos muscles dépensent peu d'énergie (420 kilojoules = kJ par heures). Nos muscles consomment 3 mg par heure de glucose et ils consomment 24 litres par heures de dioxygène. Par contre lors d'un effort physique intense (natation), nos muscles augmentent fortement leur dépense énergétique: 1900 kJ/ heure. De plus la consommation de glucose et de dioxygène augmente aussi fortement.

On peut conclure que selon la dépense physique et la dépense énergétique, la consommation de nos muscles est variable: pour une forte dépense énergétique (natation), nos muscles consomment davantage de dioxygène et de glucose que pour une faible dépense énergétique (assis ou en train de marcher).

Les muscles, comme tous les organes utilisent donc du dioxygène et du glucose, mais pour en faire quoi ?

Pour réviser: des QCM sont à votre disposition sur ce site: lien.

Cette expérience, qui ne peut plus être réalisée en classe car elle peut être dangereuse, montre que le glucose (que tout le monde connait sous le nom de sucre) peut facilement entrer en combustion (c'est-à-dire brûler) en présence de dioxygène. Ici on a simplement allumé avec un bec bunsen du sucre dans une salle de classe. On observe que le glucose brule facilement et crée des flammes qui vont chauffer l'eau contenue dans un tube à essai. Cette combustion s'accompagne donc d'un dégagement de chaleur (flammes) et de la création de fumée (qui contient beaucoup de CO2.

Cette expérience nous permet de comprendre l'intérêt du dioxygène et du glucose pour les organes: lors d'une réaction chimique, les organes utilisent le glucose pour en libérer l'énergie qu'il contient. Cette libération ne peut avoir lieu qu'en présence de dioxygène. Cette réaction chimique crée aussi un déchet: le dioxyde de carbone (CO2). Bien entendu, il n'y a pas de flammes dans les organes, et le glucose ne brûle pas véritablement! Mais il existe un dégagement de chaleur (c'est pourquoi la température du corps augmente quand on court longtemps). Il faut savoir que 70% de l'énergie libérée par cette réaction chimique est perdue sous forme de chaleur (c'est pourquoi nous sommes des animaux "à sang chaud" = homéothermes) et seulement 30% sert à faire un travail musculaire.

BILAN DU CHAPITRE:

Pour fonctionner, nos organes ont besoin d'énergie. Ils utilisent l'énergie contenue dans les nutriments (comme le glucose, mais aussi les lipides et les protéines). Mais pour libérer cette énergie, une réaction chimique est nécessaire: les nutriments réagissent avec le dioxygène ce qui libèrent l'énergie que les organes vont utiliser. Mais toute cette énergie n'est pas utilisée. En fait 70% de cette énergie est perdue et se transforme en chaleur; c'est pourquoi on se réchauffe rapidement lorsqu'on court (la transpiration est utilisée par notre corps pour éliminer cette chaleur et empêcher le corps de surchauffer.

Voir le schéma-bilan ci-dessous.