Quelques notions de physiologie liées à l'oral du CRPE en EPS (à partir du"guide de l'enseignant" tome 1)

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1 Quelques notions de physiologie liées à l'oral du CRPE en EPS (à partir du"guide de l'enseignant" tome 1) L'organisme humain possède une qualité essentielle celle de pouvoir s'adapter aux sollicitations auxquelles il est soumis. Le passage de l'état de repos à celui d'activité musculaire entraîne notamment un ensemble de réactions plus ou moins durables. La plus importante se situe au niveau de la cellule musculaire qui, pour se contracter, a besoin d'énergie. Celle-ci provient de la dégradation d'une molécule (ATP) qu'elle possède en stock mais en quantité très limitée. La poursuite de l'activité nécessite sa reconstitution permanente et celle-ci ne peut se réaliser qu'à partir des substrats d'origine alimentaire. Si l'intensité de l'exercice est faible ou moyenne ces substrats peuvent être entièrement transformés grâce à la présence d'oxygène (0 2 ) au niveau des cellules musculaires. Par contre si cette intensité est élevée, l'organisme ne parvenant pas à acheminer suffisamment d'0 2, les métabolismes de production d'énergie s'accompagnent de la formation d'acide lactique. Or, à partir d'une certaine concentration dans le muscle, sa présence entraîne un dysfonctionnement pouvant aller jusqu'à l'arrêt de l'activité. L'intensité et la durée de l'exercice seront donc des éléments à prendre en compte pour la pratique de l'activité physique. Par ailleurs l'augmentation de la dépense énergétique au niveau des cellules musculaires mettant en jeu la motricité, entraîne des modifications dans le fonctionnement des grands appareils. Les adaptions respiratoires et circulatoires dont le rôle est fondamental pour la fourniture de l'0 2 aux muscles se manifestent par une accélération en rapport avec l'intensité de l'effort. Ces réactions varient selon l'intensité de l'exercice mais dans certaines limites, qu'il est nécessaire de respecter. On note enfin des différences entre les adaptations chez l'enfant et chez l'adulte. 1/ COMMENT FONCTIONNE LE MUSCLE SUR LE PLAN ÉNERGÉTIQUE? LE RÔLE DE L'ATP Pour se contracter la fibre musculaire a besoin d'énergie et celle-ci lui est fournie par la dégradation d'une substance : l'adénosine triphosphate (ATP). C'est le seul constituant cellulaire permettant de produire de l'énergie en se dégradant. ATP E + ADP + P (E = énergie qui sert à la contraction musculaire) L'ATP disponible dans les cellules musculaires est en quantité très faible et dans le cas d'une activité physique intense, elle est très vite épuisée (environ 2 sec). Pour que le mouvement puisse se poursuivre il est donc nécessaire de la reconstituer. En fait, il est possible de comparer ce processus à un système hydraulique de type moulin à eau. «L'eau contenue dans le réservoir s'appelle A.T.P. Lorsqu'elle est dans le bac, après avoir mobilisé le moteur musculaire, elle est A.D.P. (adénosine diphosphate). Le réservoir a une capacité très limitée et pour que le mouvement puisse se poursuivre, il faut reconstituer l'a.t.p., c'est-à-dire pomper l'eau du bac pour la monter dans le réservoir.» Trois filières permettent de fournir l'énergie nécessaire à la reconstitution de l'a.t.p., et leur fonctionnement dépend de l'intensité de l'effort, de l'apport d'0 2, du niveau d'entraînement du sujet.... 1

2 LA FILIÈRE ANAÉROBIE ALACTIQUE (POMPE N 1) Si l'effort est d'emblée maximal, l'organisme n'a pas le temps de produire les adaptations respiratoires et cardio-vasculaires. L'énergie permettant la synthèse de l'a.t.p. sera produite par une substance contenue en petite quantité dans le muscle : la créatine phosphate (C.P.). En présence d'enzymes la créatine phosphate peut se dégrader et produire de l'a.t.p. Cette dégradation se produit - sans besoin d'0 2, sans libération de déchets dès la baisse de concentration d'a.t.p. dans le muscle, d'où le rôle «starter» qui lui est attribué. La puissance du processus est très importante mais sa durée de fonctionnement limitée si l'effort est intense (5 à 10 sec) LA FILIÈRE ANAÉROBIE LACTIQUE (POMPE N 2) Si l'intensité de l'effort est maintenue, la créatine phosphate du muscle s'épuise et l'apport d'oxygène est toujours insuffisant. Il faut alors avoir recours à la dégradation du glycogène. En l'absence d'0 2 les hydrates de carbone peuvent se décomposer sous l'action d'une enzyme et produire d'une part de l'a.t.p. et d'autre part de l'acide pyruvique qui, lui même, se transforme en acide lactique. Glycogène A.T.P. + acide lactique La puissance développée par ce processus est élevée, son inertie d'une dizaine de secondes et sa durée de fonctionnement allant de 30" à 1'30. Par contre la présence de lactate dans le système musculaire constitue une limite à la poursuite de l'activité (2 à 3 mn si l'effort est intense). En effet, l'acide lactique, dans le muscle, entraîne une importante acidification qui limite le système (et qui est responsable de crampes, courbatures, nausées...). L'élimination de l'acide lactique se réalise pendant la phase de récupération. Elle peut être longue et nécessite la présence d'oxygène. Une augmentation importante de la dépense énergétique pendant l'activité physique entraîne des perturbations importantes dans l'organisme et la sollicitation du système hormonal. De plus, ce fonctionnement sans oxygène est un prêt : la 3 e filière devra rembourser la dette avec un intérêt important. LA FILIÈRE AÉROBIE (POMPE N 3) 2 phénomènes se produisent : la glycolyse aérobie (dégradation du glycogène) et la lipolyse (catabolisme lipidique ou dégradation des acides gras). Glycolyse aérobie : grâce à la présence d'0 2, les réactions successives de dégradation du glycogène permettent la production d'a.t.p. ainsi que des déchets : CO 2 et H 2 0, qui sont éliminés par l'organisme. Lipolyse : En présence d'oxygène, la dégradation des acides gras permet, après des réactions complexes, de synthétiser de l'a.t.p. Cette lipolyse, active à faible intensité, voit sa part relative diminuer au profit de la glycolyse aérobie au fur et à mesure que l'intensité de l'effort augmente. Sa mise en action est aussi plus lente : environ 25 à 30 mn. 2

3 La puissance de ce processus est moyenne, son inertie théoriquement nulle dépend de l'adaptation des systèmes respiratoire et circulatoire à l'effort (puissance maximale, au bout de 3'). Sa durée de fonctionnement est longue et en rapport avec les stocks énergétiques. Ces différents processus se retrouvent dans toutes les activités physiques, ils ne se succèdent pas mais se superposent, chacun étant tour à tour prédominant en fonction de l'intensité et de la durée de l'effort. Apport d'énergie Processus aérobie Processus anaérobie Distance de course 10 à 15% 85 à 90 % 100 m 25 à 35% 65 à 75 % 400 m 40 % 60 % 800 m 60 % 40 % 1500 m 75 à 80 % 15 à 20 % 3000 m 90 à 95 % 5 à 10 % m Contribution relative exprimée en % de l'apport total d'énergie, des processus aérobie et anaérobies lors d'exercices maximaux de différentes durées (d'après Astrand et Rhodal) pour un individu entraîné. Cf courbe d'howald, 1974 (sur transparent) En résumé 1. pour se contracter le muscle a besoin d'un carburant: l'atp 2. mais cette molécule se trouve en quantité limitée dans le muscle (4 à 5 millimoles par kg de muscle frais) 3. il faut donc sans cesse renouveler cette ATP 4. pour cela l'organisme utilise 3 voies énergétiques différentes caractérisées par quelques critères (puissance, capacité, délai d'intervention, substrat énergétique, activité enzymatique, etc ) 2/ ET LES ENFANTS? Au cours de son développement, l'enfant dispose de ressources énergétiques identiques à celles de l'adulte, mais dans des proportions différentes. 3

4 Le tableau suivant résume les caractéristiques des différentes molécules énergétiques disponibles et utilisées chez l'enfant (d'après Eriksson, Saltin et Karlson, 1980). Substrats Au repos: comparaison avec des individus plus âgés Vitesse d'utilisation au cours de l'exercice A.T.P. Pas de modification avec l'âge Identique à celle de l'adulte Créatine phosphate (C.P.) Plus faible chez l'enfant Identique ou inférieure à celle de l'adulte Glycogène Plus faible chez l'enfant Beaucoup plus basse que chez l'adulte On constate que les ressources en glycogène, au repos, sont plus faibles chez les enfants. De même, la vitesse d'utilisation de ce glycogène est plus basse chez l'enfant que chez l'adulte. Il en résulte que la pratique répétée d'efforts mettant en jeu le processus anaérobie lactique peut présenter de graves inconvénients pour l'enfant d'âge élémentaire et, de ce fait, se trouve fortement déconseillée. La production de chaleur L'énergie chimique libérée au cours de ces diverses réactions n'est pas totalement transformée en énergie mécanique. Le rendement est même très faible puisque 75 à 80% sont transformés en chaleur et il est important qu'elle soit simultanément évacuée. C'est le rôle notamment de la sudation qui permet de conserver une température constante de l'organisme et voisine de 37. 3/ PEUT-ON DETERMINER LES BESOINS EN O²? EVOLUTION DE LA CONSOMMATION D'O² La présence d'o² est nécessaire à la vie des cellules de l'organisme. A l'état de repos ces besoins sont de 3,5 ml/mn/kg et correspondent au métabolisme de base. Dès que l'activité du sujet augmente les besoins en O² augmentent également pour se stabiliser si l'exercice reste modéré au bout de 2 à 3 mn ("steady state"). Mais l'inertie des systèmes de transport entraîne au début de l'exercice une dette en O² avec production d'acide lactique qu'il faudra éliminer à la période de repos. (cf schéma GDE p104). NOTION DE VO² MAXIMALE L'augmentation de la consommation d'o² est proportionnelle à l'augmentation de la puissance de l'exercice mais elle n'est pas illimitée. A partir d'un certain niveau elle n'évolue plus même si la puissance continue à s'élever. Le niveau atteint correspond à la consommation maximale d'o² ou VO² max: le sujet consomme le maximum d'oxygène qu'il est capable de fournir. La puissance correspondante est appelée puissance maximale aérobie ou PMA. Elle porte également de puissance critique. La VO² max s'exprime en l/mn ou mieux en ml/mn/kg. La valeur moyenne pour un sujet de 20 ans est de 45ml/mn/kg et ce chiffre est inférieur de 20 % chez la femme. Au cours du développement, la PMA augmente jusqu'à 18 ans pour les garçons et 14 ans pour les filles. Elle est généralement plus élevée chez les garçons que chez les jeunes filles et cette différence augmente avec l'âge. Chez certains sportifs elle peut atteindre 80 voire 95 ml/mn/kg surtout chez les pratiquants d'épreuves de longue durée (marathon, ski de fond..). On note aussi des variations en fonction de l'âge: les valeurs augmentent jusqu'à 20 ans et baissent ensuite pour ne représenter que 70 % de la valeur maximale à 60 ans. 4

5 L'entraînement permet de l'améliorer de 10 à 20 % mais les variations génétiques peuvent aussi entraîner des différences de plus de 25 %. NOTIONS DE PUISSANCE ET DE CAPACITE: L'ENDURANCE Deux critères définissent les possibilités de production énergétique: La quantité d'énergie disponible (réserves) ou capacité énergétique La quantité maximale d'énergie utilisable par unité de temps (débit) ou puissance énergétique. Elle représente les possibilités maximales d'un sujet dans un type d'effort donné ou la quantité maximale d'énergie que peut fournir un processus dans des conditions données. A partir de ces notions on peut définir l'endurance comme capacité de maintenir longtemps un pourcentage élevé de la PMA. On peut en déduire certaines règles d'entraînement, par exemple: Il faut chercher à améliorer l'aptitude à maintenir une allure avant d'augmenter cette allure. Il faut accorder une priorité au développement du système aérobie car il sert de base au développement du système anaérobie. MESURE DE LA CONSOMMATION D'O² En laboratoire On utilise le dispositif d'astrand sur bicyclette ergométrique ou tapis roulant permettant de mesurer la puissance développée. La consommation d'o² est mesurée directement et on enregistre la fréquence cardiaque. Les réactions de l'appareil cardio-vasculaire sont analysées par la mesure de la tension artérielle et un électrocardiogramme. Enfin des prélèvements sanguins peuvent être réalisés à chaque palier afin de connaître le taux de lactate, notamment à PMA. Sur le terrain Il existe un certain nombre de tests qui permettent indirectement de connaître la VO² max, la PMA et l'évolution de la fréquence cardiaque. Les plus fiables: o Le test de Luc-Léger: test de course-navette. Les enfants courent en aller-retour entre 2 lignes espacées de 20m. Ils doivent courir le plus longtemps possible en respectant une vitesse de course imposée par des bips sonores enregistrés sur une bande magnétique. Ces signaux sonores correspondent au moment où les sujets doivent franchir une des deux lignes avec un pied. La vitesse est constante pendant une minute et augmente à chaque minute de 0,5 km/h. Chaque minute de course réalisée correspond à l'acquisition d'un palier (il en existe 21). o Le test de F. Brue: test progressif maximal aérobie derrière cycliste. C'est une variante du test de Léger. Au cours de ce test c'est le cycliste qui impose et fait évoluer la vitesse de course. Cette vitesse de course, progressivement croissante, est imposée à tout un groupe par un "lièvre" cycliste. Un magnétophone à cassette (fixé sur la bicyclette), donne la cadence de pédalage et garantit la progression de 0,3 km/h environ toutes les 30 sec (la vitesse de départ étant de 6,5 km/h) Autres tests o Le test d'astrand: il s'agit de réaliser la plus grande distance possible en 3'. La VMA est calculée en ramenant la performance obtenue (en km) à la distance courue en 3'30. On considère avoir parcouru cette distance en 3'30. Exp: distance en 3'= 700m; VMA = (0,7 x 60) /3,5 = 12 km/h 5

6 o Le test 6 minutes en continu (ou demi-cooper): après un échauffement de 20', il faut parcourir la plus grande distance possible en 6'. Attention, il est nécessaire d'avoir une vitesse constante (très important). Une légère accélération est acceptée sur les 200 derniers mètres. Si le test est réussi, le coureur doit avoir une fréquence cardiaque très proche de la fréquence cardiaque maximale (théoriquement Fcmax = 220 âge). La VMA est calculée en divisant par 100 la distance obtenue: VMA = distance / 100. Exp: distance = 1600m; don VMA = 1600/100 soit 16 km/h. o Le test Cooper: il est fortement recommandé d'effectuer un échauffement avant de commencer ce test. Il faut tenter de parcourir la plus grande distance possible pendant 12' (en dosant l'effort et en tentant de maintenir une vitesse constante: éviter de partir trop vite ou trop lentement). Attention! Ce test est plus long que les autres tests. Il faut donc veiller à respecter la règle de sécurité minimale qui est de vous arrêter en cas de malaise ou d'essoufflement trop important. De plus, il faut éviter de faire la course après un repas (attendre au moins une heure). Après le test, il faut penser à récupérer en marchant 3'. Ce test permet de calculer la VMA théorique selon la formule VO²max = 22,351 x distance (en km) 11,288. La VMA est égale à VO²max/3,5. Exp: pour une distance de 2100m parcourue en 12', on a : VO²max= (22,351 x 2,1) 11,288 = 35,65; donc VMA = 35,65/3,5 = 10,19 4/ QUELLES ADAPTATIONS IMMEDIATES PERMETTENT DE COUVRIR LES BESOINS D'O2? L'ADAPTATION RESPIRATOIRE Le débit alvéolaire qui est au repos de 4,8 litres peut atteindre au cours d'un effort 120 litres/mn chez le non sportif et de 150 à 200 litres chez le sportif. Dans le cas d'un effort aérobie le volume courant peut atteindre 50 % de la capacité vitale, soit environ 3 litres, c'est le rendement optimum des muscles respiratoires. La fréquence respiratoire est d'autant plus élevée que le sujet est jeune. Pour un effort correspondant à la VO 2 max, les valeurs sont de 40 à 45 cycles/mn chez les adultes et de 55 pour un enfant de 12 ans (Astrand). L'augmentation des échanges gazeux est rapide dès le début de l'exercice, l'état d'équilibre étant atteint au bout de 2 mn environ chez l'enfant (Flandrois, 1980) alors qu'il est de 4 5 mn chez l'adulte. Cette augmentation est d'autant plus rapide que la puissance est élevée. Le retour aux valeurs de repos après l'arrêt de l'exercice, est également très rapide, même à puissance élevée (15 mn à 10 ans). Cette durée de récupération s'allonge ensuite avec l'âge. Grâce à cette rapidité d'adaptation, il est admis que l'aptitude physique aérobie de l'enfant est meilleure que celle de l'adulte. Une bonne ventilation se caractérise par : - une ventilation ample nasale et buccale 6

7 - une expiration active - un rythme régulier et synchronisé avec l'effort. L'accroissement du rythme respiratoire ne doit pas se faire au détriment de l'amplitude des temps respiratoires. L'essoufflement est le résultat d'une expiration superficielle qui se traduit par une diminution importante du volume courant. Cet état d'hypoxie peut entraîner rapidement des troubles fonctionnels et psychiques. Une véritable éducation de la respiration est indispensable chez les enfants et on peut considérer que la maîtrise des efforts de longue durée passe par la maîtrise de la ventilation pulmonaire. L'ADAPTATION CIRCULATOIRE La fréquence cardiaque de repos est de 70/mn chez l'homme, 75 à 80 chez la femme. Ces valeurs peuvent atteindre 40 à 50 chez le sportif et même parfois 30/mn. En ce qui concerne l'enfant elle est plus élevée et surtout on note des différences individuelles très importantes (70 à 95 PC/mn). La fréquence cardiaque évolue en fonction de l'intensité de l'effort et de la consommation d'o 2. La valeur maximale est d'environ 195 à 215 PC/mn mais il semble que la règle : FC (fréquence cardiaque) max = âge ne soit pas vérifiée chez l'enfant. A la fin de l'exercice la fréquence cardiaque chute d'abord brutalement (10 à 20 PC de moins en 10 sec) et ensuite plus lentement. On considère qu'un temps de récupération 2mn 30 à 3 mn est suffisant pour des efforts de type aérobie à intervalles longs. Un nombre important de facteurs modifient la fréquence cardiaque : l'émotion, la digestion, 1'altitude, la difficulté de l'exercice, d'où un problème important de fiabilité. Compte tenu des variations individuelles au repos, le contrôle du temps de récupération est beaucoup plus significatif que les valeurs de la fréquence cardiaque à la fin de l'exercice Les nombreuses expériences réalisées tendent à prouver que le seuil d'endurance se situe chez l'enfant aux environs de 170 à 180 pulsations cardiaques à la minute. Sur un plan pratique il est beaucoup plus intéressant de connaître la vitesse maximale aérobie maximale (V.M.A.) qui est l'expression de la puissance maximale aérobie (P.M.A.). Cette V.M.A. correspond à la vitesse limite qu'un enfant peut maintenir pendant un temps de 4 à 10 mn (Peronnet- Tibaud) LES ADAPTATIONS MUSCULAIRES LOCALES Dès le début de l'exercice on constate une augmentation du débit sanguin dans les muscles actifs. Il peut atteindre 80 à 85 % du débit cardiaque maximal. Il se produit :.- une vasodilatation artérielle - une ouverture massive des boucles capillaires dans les muscles actifs - une vasoconstriction veineuse. Enfin il se produit une redistribution des autres débits locaux, seule la circulation cérébrale étant préservée. 7

8 5/ POUR EN SAVOIR PLUS: QUELS SONT LES EFFETS DE L'ENTRAINEMENT SUR L'ORGANISME? SURLE PLAN ÉNERGÉTIQUE Un entraînement adapté permet d'améliorer de façon durable les mécanismes de production d'énergie selon les différentes filières. Par exemple une plus grande concentration en créatine phosphate peut être obtenue par un entraînement comprenant des efforts très brefs et intenses entrecoupés de temps de récupération courts. De même on peut améliorer le métabolisme aérobie par la répétition d'efforts à puissance critique ou sub-critique. L'augmentation des possibilités du sujet à utiliser de l'oxygène peut s'améliorer de 15 à 20 %. Une étude réalisée par Flandrois en 1982 montre que la VO, max augmente avec l'âge et le niveau d'entraînement. SUR LE PLAN PHYSIOLOGIQUE Le système respiratoire Un entraînement adapté permet de développer les muscles respiratoires et d'améliorer le débit ventilatoire. Le temps de réponse est plus court au début de l'exercice et l'élévation du rythme respiratoire est moins importante pour une même intensité. Le système cardio-vasculaire Pour une même intensité on note les effets suivants : diminution de la fréquence cardiaque amélioration des capacités cardiaques (aptitude à se contracter, à retrouver le rythme de repos...). Les modifications adaptatives sous l'effet c l'entraînement se manifestent par : une diminution de la fréquence cardiaque au repos - une augmentation du volume du coeur surtout chez les spécialistes des efforts de longue durée une augmentation de la masse cardiaque pouvant atteindre 300 à 500 g chez les sportifs très endurants. Le système musculaire On observe une hypertrophie des fibres musculaires sollicitées en rapport avec leur capacité à se contracter efficacement. Des études tendent à montrer également une augmentation de l'aptitude des fibres musculaires à utiliser prioritairement un métabolisme énergétique. Cependant l'aptitude à produire des efforts brefs et intenses ou longs et modérés est surtout déterminée par les caractéristiques génétiques. 8

9 6/ EXEMPLES DE PROCEDES D'ENTRAINEMENT POUR LES ENFANTS Processus sollicités Intensité Durée Récupération Temps Répétitions Séries Nature Entre les répétitions Entre les séries Anaérobie alactique 95% du max 4 à 6" Passive 2-3' 6-10' 90% du max 8 à 10" Passive 4-6' 10' Aérobie 70% de la PMA 15 à 25' 80% de la PMA 3 à 7' 3-4 Passive ou marche 3 à 5' 90% de la PMA 45" à 1' Marche 45" à 1' 5' 9

10 LES EFFETS DE L'ACTIVITE PHYSIQUE REGULIERE CHEZ L'ENFANT Questions à Philippe Obert (revue EPS 1 n 111, janvier, février, mars 2003) Les aptitudes physiques des enfants d'âge scolaire sont conditionnées par différents facteurs, dont ceux d'ordre physiologique parmi lesquels on note les systèmes musculaire, neuro-musculaire, nerveux central, endocrinien... Si les modes de régulation sont similaires à ceux de l'adulte, il s'opère au cours du développement de l'enfant, un processus de maturation de ces différents systèmes. L'enfant n'est pas un adulte en miniature : cela s'observe pour tous les systèmes, et plus particulièrement en physiologie de l'exercice. pour les systèmes musculaire et neuromusculaire ainsi que pour les différents processus énergétiques nécessaires à l'activité musculaire. Quels mécanismes d'échanges s'établissent pendant l'activité physique et comment concernent-ils des enfants d'âge scolaire? La contraction musculaire impose du carburant, l'adénosine triphosphate (ATP) qui se trouve en stock limité dans le muscle (4 à 5 millimoles par kg de muscle frais). Il faut donc sans cesse renouveler cette ATP ce qui est possible grâce à trois voies énergétiques différentes, caractérisées par de nombreux critères (puissance, capacité, délai d'interventions, substrat énergétique, activité enzymatique. etc.) : anaérobie alactique: pour ce qui est des exercices très brefs et très intenses (jusqu'à une dizaine de secondes) faisant intervenir ce processus, on peut dire qu'au plan énergétique, l'enfant est parfaitement armé pour y répondre et on peut tout à fait les conseiller aux plus jeunes. En effet, on a pu observer que les processus et les ressources caractérisant cette voie sont similaires entre enfants et adultes ; anaérobie lactique: ce processus s'enclenche lors d'exercices de puissance énergétique élevée d'une durée allant de 30 secondes à minute 30. C'est ici que l'on observe la plus grande influence de la maturation : les stocks de glycogène de l'enfant sont largement inférieurs à ceux de l'adolescent ou de l'adulte ; les activités enzymatiques principales (LIH. PFK) sont inférieures chez l'enfant, les vitesses d'utilisation des substrats sont moindres, etc. C'est pourquoi l'enfant n'est pas armé au plan physiologique pour réaliser des exercices qui font appel à ce processus ; aérobie: pour ce métabolisme (cf. encadré p. 36) qui intervient lors d'un effort d'intensité modérée à élevée, au-delà de plusieurs minutes, il n'y a pas de différence manifeste entre les capacités de l'adulte et celles de l'enfant. Celui-ci possède les substrats et les enzymes nécessaires à l'utilisation optimale des processus oxydatifs. Ce métabolisme aérobie chez l'homme à l'effort est limité par la capacité d'apport de l'oxygène au niveau du muscle et dans une moindre mesure par les limites de l'utilisation de cet oxygène au niveau musculaire. Ceci fait intervenir les aspects cardio-vasculaires, point central de nos recherches. Dans les processus aérobie, observe-t-on des différences entre les capacités des enfants et celles des adultes? Il faut distinguer ce qui se passe au niveau des mécanismes centraux et des mécanismes périphériques. Les mécanismes centraux. L'adaptation à l'exercice aigu n'est pas influencée par le facteur âge : la comparaison entre garçons (11/12 ans) et adultes (22/25 ans) de même niveau d'aptitude aérobie (même consommation maximale en oxygène, environ 52 ml/mn/kg de poids corporel) fait état d'une évolution linéaire et similaire du débit cardiaque en fonction de la consommation en oxygène entre les deux groupes : accroissement d'environ 4.5 litres par minute pour une augmentation de la consommation d'oxygène d'un litre par minute. Pour les deux groupes, on note que l'augmentation du débit cardiaque s'explique jusqu'à 50 % 10

11 de VO2max par une augmentation conjointe du volume d'éjection systolique et de la fréquence cardiaque ; au-delà de 50 % de VO2max, c'est l'augmentation de la seule fréquence cardiaque qui intervient car le volume d'éjection systolique plafonne. Entre un jeune garçon et un adulte soumis à une même intensité relative d'exercice (par exemple 75 % de sa VO2max). on n'observe aucune différence de fréquence et de débit cardiaques lorsque les caractéristiques biométriques sont prises en considération, comme on le fait en physiologie en rapportant les performances à l'unité de poids corporel, de masse musculaire ou de surface corporelle. Le volume d'éjection systolique dépend de trois facteurs morphologiques et fonctionnels : les conditions de charge (résistances vasculaires périphériques et retour veineux) qui s'opposent à la circulation, les dimensions cardiaques (diamètres internes des ventricules, masse myocardique. épaisseurs ventriculaires) et la fonction d'éjection systolique et de remplissage diastolique. Au repos, comme à l'exercice physique, dès lors que l'on compare ces données à masse musculaire égale. il n'existe pas de différences entre l'enfant et le jeune adulte. Le système périphérique. On observe des dissemblances entre l'enfant et l'adulte : la différence artério-veineuse est inférieure chez l'enfant, vraisemblablement en raison d'une part, d'une plus faible capacité de transport de l'oxygène (en effet la concentration en hémoglobine qui le fixe en partie n'augmente qu'au cours de la phase de maturation sexuelle) et, d'autre part, aux résistances vasculaires périphériques qui sont, à l'exercice, supérieures chez l'enfant. Quelles autres différences sont liées à la maturation? Une autre notion fondamentale, lorsqu'on observe l'activité motrice est celle de son coût énergétique. En course à pied, par exemple, il représente la quantité d'oxygène consommée pour se déplacer à une vitesse donnée. L'enfant présente un coût énergétique supérieur à celui de l'adulte, notamment dans les activités de course ou de nage : pour se déplacer à une même vitesse que l'adulte, il a une consommation d'oxygène supérieure, même rapportée par unité de poids corporel. Dans la notion de performance, il est donc désavantagé par rapport à l'adulte. Cela s'explique par des facteurs biométriques (taille des leviers osseux) et neuromusculaires où il a été observé des différences qualitatives : chez l'enfant, la fréquence des décharges nécessaires aux contractions musculaires est moindre, sa capacité d'utilisation de l'ensemble des unités motrices est inférieure et leur synchronisation est moins bonne lors de la réalisation d'une tâche motrice donnée. La maturation du système neuro-musculaire au fur et à mesure du développement améliore progressivement cette efficacité. Comment expliquer les différences interindividuelles que tout enseignant peut observer? Les travaux menés pour comparer les réponses cardio-vasculaires montrent que les consommations maximales d'oxygène sont inférieures chez les filles par rapport à celles des garçons en raison d'un débit cardiaque plus faible. Ceci s'explique par un volume d'éjection systolique moindre en raison de dimensions cardiaques réduites. Néanmoins, rapporté à la masse musculaire globale, il n'y a pas de différence constatée, et ce jusqu'à la puberté. Enfin, pour un groupe homogène (même âge, même sexe), on peut attribuer les différences de performances principalement aux facteurs génétiques car les aptitudes physiques d'un sujet sont conditionnées par les différents systèmes (bioénergétique, musculaire, endocrinien, nerveux, etc.). On peut estimer que l'effet de l'entraînement a un impact de 20 à 30 % sur les performances à l'exercice aérobie chez l'enfant. Vos travaux vous ont conduit à analyser de manière plus précise les effets de l'entraînement sur le développement des capacités des enfants. Quel est l'intérêt de proposer à l'école, des programmes basés sur la sollicitation du système aérobie? De nombreuses études, tant en France qu'à l'étranger (USA, GB) concordent avec les observations que nous avons menées au sein du laboratoire. Toutes soulignent, et de manière encore plus aiguë depuis dix ans, la réduction de la dépense énergétique hebdomadaire chez l'enfant : une sédentarité précoce s'installe dès ans qui va en s'accentuant avec la puberté, avec des différences garçons/filles. 11

12 Une de nos études a également montré la relation étroite entre l'activité et le niveau socioéconomique des familles. Sans revenir sur les facteurs, principalement culturels, expliquant ces données, en terme de santé publique on peut parler d'une population à risque pour l'avenir lorsqu'on connaît l'importance de l'exercice physique en regard de la prévention des maladies cardio-vasculaires. Cette prévention commence effectivement dès le plus jeune âge. Pour ces populations, il y a donc grand intérêt à mettre en place au sein du système scolaire des programmes d'activités à dominante aérobie permettant de solliciter le système cardio-vasculaire. Quels effets attendre d'une pratique scolaire régulière? Nous avons proposé un programme d'activité à dominante «aérobie» pendant treize semaines à plusieurs classes de CM1-CM2. Lors de tests initiaux nous avons relevé que, si la VO2max est plus faible chez les filles que chez les garçons, elle est en relation directe avec les niveaux de dépense énergétique hebdomadaire estimés à partir de questionnaires et/ou d'enregistrement des fréquences cardiaques par sport tester : taux les plus faibles chez les filles des milieux défavorisés, taux médians pour les enfants des milieux sociaux favorisés sans distinction pertinente entre garçons et filles, taux les plus élevés pour les garçons des milieux défavorisés. Puis nous avons proposé, pendant treize semaines, des exercices d'intensité supérieure à 80 % de la fréquence cardiaque maximale, conduits, selon les classes, deux ou trois fois par semaine, pendant 15 mn ou 30 mn. Nous avons ensuite mesuré l'impact de ce programme d'entraînement selon les dispositifs proposés. Plusieurs conclusions peuvent être énoncées : l'augmentation de la VO2max apparaît pour les enfants bénéficiant de trois séances par semaine de 25 à 30 mn d'activité supérieure à 80 % de leur fréquence cardiaque. Néanmoins, cette augmentation (8 % en moyenne) est largement inférieure à ce qu'on observe chez l'adulte pour des programmes d'entraînements similaires. Par contre, on ne mesure aucun effet bénéfique lorsque les enfants n'ont eu que deux séances hebdomadaires de 15 mn d'activité à 80 % de leur fréquence cardiaque ; l'augmentation de la consommation maximale d'oxygène obtenue grâce au programme d'entraînement, se fait uniquement grâce à l'augmentation du volume d'éjection systolique ; à l'exercice sous-maximal (celui correspondant à des intensités d'activités le plus fréquemment utilisé par l'enfant au quotidien), ce programme est bénéfique, chez la fille comme le garçon, car pour une même intensité d'exercice, l'enfant opère à un pourcentage inférieur de son maximum ; les augmentations de VO2max enregistrées sont plus importantes chez la fille que chez le garçon. Cela s'explique, non par des différences liées au sexe, mais par l'écart entre les niveaux de départ : l'augmentation est d'autant plus élevée que le niveau de départ est faible. On peut ajouter une donnée complémentaire : chez l'enfant, comme chez l'adulte, il existe un lien étroit entre les masses musculaires appliquées dans l'entraînement et l'ampleur de l'accroissement de la VO2max. L'observation menée par ailleurs sur un groupe de jeunes nageuses de ans, après un an d'entraînement intensif en natation (5 séances hebdomadaires soit 10 à 12 h) montre que l'accroissement de la consommation maximale en oxygène est plus importante (+ 20 %) lorsqu'elle est mesurée sur un banc de nage sollicitant donc essentiellement les groupes musculaires impliqués dans l'activité que sur bicyclette ergométrique. mobilisant essentiellement les membres inférieurs (+ 10 % seulement). Ce programme d'entraînement est-il bénéfique à plus long terme? Hélas non... s'il n'est pas suivi dans la durée! On a constaté, lors de l'expérimentation en milieu scolaire, que les filles qui avaient des VO2max de départ correspondant à celle de sujets adultes femmes sédentaires (33/35 ml d'oxygène par mn et kg de poids corporel) étaient au début du programme incapables de courir plus de 50 m. Après la réalisation des trois séances hebdomadaires pendant les treize semaines, leur VO2max a augmenté de manière importante (environ 10 %) et elles étaient capables de courir de manière continue pendant plus de 20 minutes. Nous avons ré-interrogé cette population deux mois après l'arrêt de notre programme et avons observé que ces enfants avaient régressé : leur VO 2 max était revenu à leur niveau de départ car elles n'avaient eu aucune activité physique depuis la fin de ce programme. Cette expérimentation n'avait pas suffi à motiver leur désir d'une pratique régulière extrascolaire : c'est donc bien dans le cadre scolaire, qu'une ne EPS proposant 12

13 des activités à dominante «aérobie» dans des périodes longues du cursus scolaire parmi un programme d'activité équilbré est indispensable. En conclusion... L'exercice physique chez l'enfant est indispensable, surtout lorsqu'on intègre les observations actuelles sur la sédentarité précoce, en particulier des filles issues de milieux socio-économique défavorisés. La pratique d'une activité physique au sein du système scolaire est fondamentale car on sait que, pour certaines populations, la pratique extra scolaire est faible voire nulle. Hormis la prévention de risques spécifique dus à certaines consommations excessives (alcool, tabac. graisse. etc.), la pratique d'une activité physique régulière est primordiale pour la prévention de toutes les pathologies cardio-vasculaires. A elle seule, cette raison est suffisante pour faire pratiquer l'eps l'école. 13