La respiration nous permet de prélever l’oxygène de l’atmosphère et d’éliminer le dioxyde de carbone (gaz carbonique) fabriqué lors de la production d’énergie. Pendant l’exercice, l’appareil respiratoire (voir figure) s’adapte afin d’être capable de fournir les quantités supplémentaires d’oxygène nécessaires aux muscles pour transformer glucose et acides gras en énergie. Il empêche également l’accumulation du dioxyde de carbone et l’acidification du sang et des organes.
Comment fonctionnent les poumons ?
Contrairement à ce qu’on pourrait croire, ce ne sont pas les poumons qui soulèvent la cage thoracique en se gonflant mais c’est la cage thoracique qui permet aux poumons de se remplir d’air. Les poumons sont attachés à la cage thoracique par deux enveloppes : les plèvres.
Lors de l’inspiration, les muscles situés entre les côtes (muscles intercostaux) se soulèvent et la cage thoracique augmente de volume. Simultanément, le diaphragme (le muscle qui sépare les poumons de l’abdomen) s’abaisse, contribuant à augmenter un peu plus le volume de la cage thoracique. Les plèvres suivent le mouvement de la cage thoracique et du diaphragme et entraînent avec elles les parois des poumons. À l’intérieur de ceux-ci, un vide se produit qui aspire l’air.
À l'expiration, le phénomène inverse se produit : la cage thoracique s'abaisse, le diaphragme remonte et les poumons, élastiques, se rétractent et expulsent l'air.
Lorsque l’air pénètre dans le corps, il passe d’abord par le nez où les muqueuses humides retiennent jusqu’à 80 % des poussières et des bactéries inspirées. L’air y est également humidifié et réchauffé à 37 °C. Il atteint ensuite la trachée où les particules microscopiques restantes sont retenues. L’air parvient enfin aux bronches puis aux alvéoles pulmonaires. Ces petits sacs extensibles, entourés de capillaires sanguins, sont le lieu d’échange de l’oxygène et du dioxyde de carbone. Leur surface totale représente environ 100 m2.
Les poumons ne se vident pas complètement lors d’une expiration. L’air inspiré vient se mêler à celui qui n’a pas été expiré. Seule une petite partie de l’air contenu dans les alvéoles est renouvelée lors d’un cycle respiratoire. L’air qui entre dans les poumons contient 21 % d’oxygène et 0,03 % de dioxyde de carbone (gaz carbonique). Celui qui en sort ne contient plus que 16 % d’oxygène environ, mais 4 à 5 % de dioxyde de carbone.
L’appareil respiratoire
Les poumons permettent d’enrichir le sang en oxygène et
d’éliminer le dioxyde de carbone (gaz carbonique).
L’adaptation du système respiratoire à l’effort
Pendant le sport, les poumons travaillent davantage pour apporter suffisamment d'oxygène et éliminer le dioxyde de carbone.
L’adaptation à court terme des poumons pendant le sport
Lors de l’effort, les zones du cerveau qui contrôlent la respiration sont stimulées par plusieurs facteurs :
- des informations provenant des récepteurs présents dans les muscles et les tendons,
- l'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone dans le sang et la diminution de celle d'oxygène,
- l'accroissement du taux d'adrénaline, etc.
Sous l'effet de ces mécanismes d'information, la fréquence respiratoire augmente, les muscles intercostaux et le diaphragme se contractent plus fortement, augmentant le volume de la cage thoracique à l'inspiration.
La quantité d’air ventilée par les poumons augmente légèrement avant le début de l’exercice (sous l’effet de l’anticipation) puis très brutalement au début de l’effort. Elle atteint ensuite un point d’équilibre quelques minutes après le début de l’exercice. Le temps nécessaire pour parvenir à cet équilibre s’accompagne parfois d’une gêne (par exemple, un point de côté) qui disparaît ensuite.
Pour prélever plus d’oxygène et éliminer davantage de dioxyde de carbone, il est plus efficace d’augmenter le volume d’air ventilé que la fréquence de la respiration. Les débutants font souvent l’erreur inverse : ils accélèrent leur rythme ventilatoire sans inspirer et expirer suffisamment pour mieux renouveler l’air dans leurs alvéoles pulmonaires. Très vite, le manque d’oxygène se fait sentir.
Pendant l’effort, le volume d’air brassé par les poumons passe d’environ 6 à 8 litres par minute au repos à 80 à 150 litres par minute, selon l’intensité de l’exercice. Chez les athlètes de très haut niveau, ce volume peut même atteindre 250 litres par minute. Simultanément, de nombreux capillaires pulmonaires se dilatent pour augmenter le débit du sang dans les poumons. Cette adaptation permet de prélever et de fixer plus d’oxygène sur l’hémoglobine des globules rouges.
À la fin de l’exercice, le volume d’air ventilé diminue rapidement en quelques secondes, mais le rythme de repos n’est retrouvé qu’après plusieurs minutes.
L’adaptation à long terme des poumons pendant le sport
Les sportifs, en particulier ceux qui pratiquent régulièrement un sport d’endurance, apprennent à privilégier l’augmentation du volume d’air inspiré (en respirant plus profondément) plutôt que l’accélération de la fréquence ventilatoire.
L’approvisionnement en oxygène à chaque inspiration est amélioré (le reste d’air vicié dans les poumons est dilué par de l’air frais) et demande moins d’énergie (les muscles intercostaux et le diaphragme se contractent plus fortement mais moins souvent). La fréquence ventilatoire au repos diminue et elle est plus rapidement retrouvée après l’effort.
| Qu'est-ce que le VO2 max ? |
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| Le VO2 max est un des indicateurs de performance les plus utilisés en sciences du sport. Cette abréviation signifie « débit maximal de prélèvement d'oxygène ». Le VO2 max correspond à la quantité maximale d'oxygène mise à la disposition des cellules des muscles par minute (après avoir été prélevée par les poumons et transportée par le système circulatoire). Le VO2 max est le reflet de l'efficacité de toutes les étapes depuis l'inspiration de l'air jusqu'à l'utilisation des molécules d'oxygène au niveau du muscle. Il peut être mesuré lors d'une épreuve d'effort (rameur, vélo, tapis roulant, etc.). Le VO2 max est exprimé en millilitres d'oxygène par minute et par kilo de poids. Sa valeur va de 35 ml/min/kg pour un homme sédentaire à 85 ml/min/kg pour un sportif très entraîné en endurance (de 30 à 70 ml/min/kg chez les femmes). Pour chaque personne, le VO2 max atteint son maximum à la fin de la puberté et décroît ensuite progressivement, s'il n'est pas entraîné, parallèlement à la diminution de la fréquence cardiaque maximale. Il est déterminé par l'héritage génétique et l'entraînement : un travail spécifique permet d'augmenter le VO2 max de 10 à 50 %. |
L’échauffement et la récupération du système respiratoire
Comme dans le cas du système cardiovasculaire, l’échauffement permet au système respiratoire d’atteindre progressivement un fonctionnement optimal. Il permet d’augmenter peu à peu le volume d’air inspiré jusqu’à un état d’équilibre (si la puissance de l’exercice est constante).
La récupération active est importante pour assurer la reconstitution des réserves d’énergie consommées au tout début de l’exercice lors des phases anaérobies.
Cette reconstitution est proportionnelle à la quantité d’oxygène qui a fait défaut durant l’exercice (la « dette d’oxygène »), en particulier au début, avant que les systèmes cardiovasculaire et respiratoire soient parvenus à adapter leur rythme. L’échauffement, en augmentant les rythmes cardiaque et respiratoire avant le début de l’exercice, permet de limiter la dette d’oxygène.
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