Cours de niveau
2
seconde
Dernière
mise à jour le 11/04/2003
Note aux "apprenants"
Vous trouverez ici les textes de votre cours. Le but de cette page est de vous permettre:
• de rattraper un cours après une absence
• de vérifier l'orthographe de certains mots
• de compléter votre cours par des notes et des renvois à des sites présentants photos, films et animations.
En aucun cas il ne s'agit d'un cours à imprimer pour la classe: vous ne sauriez pas utiliser un tel document qui se révelerait alors dangereux pour vous.
LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT (2 mois)
1 La planète Terre appartient au systéme solaire
11 Une étoile, 9 planètes, de très nombreux satellites et d'autres corps célestes
Organisation du systéme solaire - lois de Kepler (Newton?)
Le systéme solaire comprend l'étoile soleil, 9 planètes et leurs satellites, des milliers d'astéroides et de cométes. Ces corps tournent autour du soleil en décrivant des ellipses.
rmq:
12 Peut on classer les planètes ? ·
On peut classer les planètes en deux groupes:
-les planètes telluriques (M,V,T,M,Pl) possédent une surface solide. Elles sont principalement faites de roches et de métaux. Leur diamétre est de l'ordre du millier de km.
- les planètes joviennes (J, S, U, N) sont surtout constituées de gaz. Leur diamétre varie de 50000 à 150000 km. Elles possédent une atmosphère très épaisse, des anneaux ainsi que de nombreux satellites, dont certains de grande taille (5000 km pour Ganymède (mercure 4900!)). On en connait une centaine tournant autour d'autres étoiles.
3 L'énergie reçue du soleil se répartit de façon inégale sur une planète
Rappel de géo: la répartition en latitude des climats et l'alternance des saisons résultent de la sphéricité de la Terre et de sa rotation autour d'un axe incliné par rapport au plan de révolution autour du soleil. Il en est de même pour Mars.
Mars et la Terre reçoivent elles la même quantité d'énergie solaire? Si non, quelle est la différence?
· La quantité d'énergie reçue du soleil décroit avec la distance (Exp)
Cas de Venus & Titan: il existe d'autres mécanismes permettant de réchauffer la surface d'une planète ou d'un satellite ---> la présence d' atmosphères joue elle un rôle ?
· Les atmosphères peuvent piéger l'énergie solaire: l'effet de serre (Exp)
L'effet de serre réchauffe les corps célestes pourvu d'une atmosphère. Exemple de Venus, la Terre, Mars et Titan.
L'atmosphère terrestre (température / pression / altitude)
L'environnement à l'échelle planétaire
1 observation des enveloppes externes des planètes: imagerie spatiale et satellitale
Des matériaux différents ont une "signature optique" différente (TP réflectance). Des récepteurs perfectionnés, emportés hors de l'atmosphère par des satellites, et le traitement des images permettent de les mettre en évidence (exemples p 38/39 - act. 123).
En utilisant des longueurs d'ondes différentes, Il est possible d'observer sélectivement sur Terre la végétation, l'eau, les sols, les nuages ...
2 L'atmosphère terrestre
21) Une atmosphère composée de 4 couches successives
Notre atmosphère est composée de molécules gazeuses (essentiellement Azote, O2 ). La présence plus ou moins importante de certains gaz à effet de serre, comme le CO2 ou la vapeur d'eau, influe sur la température de l'atmosphère.
On observe un gradient de pression et de températures (p.40) entre 0 et 500 km d'altitude, ce qui permet de diviser l'atmosphère en 4 strates :
-la troposphère (partie basse de l'atmosphère représentant 80 % de sa masse)
-la stratosphère (où se trouve le gaz ozone, O3, qui absorbe la majorité du rayonnement UV solaire)
-la mésosphère (ou ionosphère, où se forme les aurores boréales, et qui renvoie vers la Terre les ondes radio GO).
-la thermosphère (très proche du vide spatial, dans laquelle se trouvent les satellites en orbite basse).
B) La troposphère influence la température de la surface de la Terre (p.43)
La vapeur d'eau contenue dans la troposphère peut former des nuages. Ceux-ci renvoient une partie de l'énergie solaire vers l'espace, ce qui a un effet modérateur sur la température de la surface terrestre. Inversement, les gaz à effet de serre piègent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, réchauffant l'air et la surface terrestre.
Obs d'atmosphères (Jupiter, Mars, Venus, la Terre): les atmosphères sont toujours en mouvement. Quelle est l'origine de ces derniers ?
3) L'atmosphère est toujours en mouvement (TP convection - p.44 à 47)
Au niveau des zones équatoriales, l'air réchauffé s'élève. Il se dirige vers les pôles puis redescend lorsqu'il est refroidi (donc plus dense). C'est le principe de formation d'une cellule de convection. 3 cellules se forment ainsi de l'équateur aux pôles, dans chaque hémisphère. Elles engendrent des vents qui ont tendance à circuler des zones de hautes pressions (anticyclones) vers les zones de basses pressions (dépressions).
Selon la direction ascendante ou descendante des courants aériens, l'eau de l'atmosphère se condensera sous forme de précipitations, l'air étant ensuite asséché. (ex équateur/tropiques)
En raison de la rotation de la Terre, la force de Coriolis s'applique aux courants atmosphériques qui sont déviées en arc de cercle par rapport à leur axe de déplacement. Les nuages ont donc tendance à former des structures en arc de cercle ou en spirales.
4) L'hydrosphère (TP océan - p.48 à 51)
Tout comme l'air, l'eau est un milieu mobile, un fluide. Il est toujours en mouvement. Les mouvements des masses océaniques constituent des courants.
A - Des courants de surface provoqués par les vents
Les courants de surface ont une vitesse de quelques m/s. Ils sont principalement causés par les vents. La force de Coriolis et les continents modifient leur trajectoire.
B - Des courants profonds: les fleuves de l'océan
Près des pôles, l'eau de surface se refroidit, le gel de l'eau entraîne l'expulsion de son sel. Ceci augmente la salinité de l'eau et élève sa densité: les eaux plus denses plongent en dessous des eaux moins salées : c'est l'origine des courants profonds. Ils sont plus lents que les courants de surface. Ils peuvent aussi être provoqué par des plongées d'eau froides sous des couches plus chaudes, ou des remontées d'eau plus chaude.
5) Océan d'air, océan d'eau sont toujours en mouvement, ce qui assure le mélange de leurs constituants respectifs (TP océan - p.53-55 )
Une substance quelconque ne peut rester en place dans les océans ou dans l'atmosphère: du fait des vents et des courants, elle est obligée de se répartir, de se diluer à l'échelle planétaire.
Cependant, cette répartition sera toujours bien plus rapide dans l'atmosphère que dans les océans, où les courants profonds sont très lents.
Une substance toxique sera ainsi plus vite dispersée dans l'atmosphère que dans les océans. Ces derniers constituent donc des milieux fragiles, dont il est nécessaire de prendre soin.
Resumé: l'inégale répartition de l'énergie solaire et la rotation de la Terre mettent en mouvement les fluides de sa surface: il en résulte des vents et des courants qui influent sur le climat planétaire. Les mouvements atmosphériques sont rapides(10m/s), permettant un mélange efficace de ses constituants à l'échelle planétaire. Dans les océans existent des courants plus lents: de surface (1m/s), provoqués par les vents; ou profonds (1 mm/s), causés par les différences de température et de salinité de l'eau de mer.
La biosphère terrestre intervient dans les échanges entre les différentes enveloppes de notre planète
1 - La Terre possède une biosphère développée
La biosphère est l'ensemble de la matière vivante. Elle est majoritairement composée d'organismes (animaux, végétaux, champignons, bactéries) dépendant directement ou non de l'énergie solaire pour la fabrication de leur propre source d'énergie.
Quelle est l'origine de l'énergie nécessaire aux êtres vivants?
11) Il existe 3 mécanismes fournissant de l'énergie aux êtres vivants
· La synthèse chlorophyllienne : 6 CO2 + 12 H2O ---hv---> C6H12O6 + 3 O2 + 6H2O
est réalisée par les végétaux verts ainsi que par des unicellulaires et certaines bactéries.
· La respiration : C6H12O6 + 3 O2 + 6H2O ------> 6CO2 + 12H2O
est réalisée par les animaux, les végétaux et les champignons.
· Les fermentations sont réalisées par des bactéries et des levures ("ferments"). Il en existe plusieurs sortes mais il s'agit toujours de décomposition de matière organique, le plus souvent sans consommation de O2.
Ex: la fermentation alcoolique C6H12O6 ---> 2 CH3CH2OH + 2 CO2
Act: colorer dans les réactions précédentes les molécules présentes dans l'atmosphère terrestre. Quelle conclusion peut on en tirer sur les rapports entre les êtres vivants sur l'atmosphère ?
12) Les êtres vivants peuvent être autotrophes ou hétérotrophes
Selon leur source d'énergie, on peut différencier les autotrophes, qui n'utilisent que des molécules d'origine minérale, et les hétérotrophes qui utilisent les molécules fabriquées par d'autres êtres vivants.
Act: Qui est autotrophe ? Qui est hétérotrophe ?
D'où viennent les molécules utilisées pour la production d'énergie ?
2) Sur Terre, H2O, CO2 et O2 effectuent un parcours cyclique
21 Le cycle de l'eau
L'eau est à l'état gazeux lors de l'évaporation, à l'état liquide pendant son transport, à l'état solide lors de certaines précipitations. Sa circulation peut être rapide (ruissellement) ou très lente (nappe phréatique). Elle peut être immobilisée sous forme de glace.
22 Le cycle du carbone
221 Le CO2 s'échange entre biosphère et atmosphère
La biosphère est une réserve de C organique; l'atmosphère est une réserve de C minéral.
Schéma des échanges biosp./ atm.
Les végétaux verts réalisent la photosynthèse qui se manifeste par un rejet d'O2, une absorption de CO2 et une synthèse de matière organique. En respirant, les animaux et les plantes consomment du CO2 et rejettent de l'O2. Les décomposeurs (bactéries et certains champignons) dégradent la matière organique par le biais de la respiration ou de la fermentation. Dans ces eux cas il y a rejet de carbone minéral.
222 Le CO2 voyage aussi entre atmosphère, lithosphère et hydrosphère
Le phytoplancton ainsi que les carbonates dissous dans l'eau de mer sont à l'origine de la formation de roches sédimentaires carbonées.
Les éruption volcaniques rejettent du CO2 dans l'atmosphère.
La combustion du pétrole, du charbon et des végétaux par l'Homme provoque une remobilisation du carbone minéral ou organique sous forme de CO2 rejeté dans l'atmosphère.
3) Il est possible de reconstituer la composition passée de l'atmosphère
31 Il existe des marqueurs permettant d'estimer la teneur en O2 et CO2 depuis la formation de la planète.
; il n'y avait pas d'O2.
Vers 3,5 milliards d'années, l'activité photosynthétique a permis l'enrichissement de l'hydrosphère puis, vers &endash;2 milliards d'années, de l'atmosphère en O2.
schéma evol atmosphère
L'atmosphère a poursuivi son enrichissement en O2 alors que le CO2 va s'intégrer dans les roches carbonées (pétrole, charbon) et carbonatées (roches sédimentaires calcaires), ce qui a fait chuter sa concentration dans l'atmosphère.
32 la température et l'atmosphère du quaternaire récent (-16000 ans) sont connus par l'étude des glaces des pôles.
Les températures fossiles et la teneur en CO2 de l'atmosphère peuvent être déterminées, pour le quaternaire récent, par l'étude des gaz inclus dans les carottes polaires et celle des divers isotopes de l'O. (3 isotopes stables 16O, 17O et 18O).
La teneur en 18O des micro-organismes fossiles provenant de forages océaniques indique une eau plus froide ou plus chaude, donc un climat plus clément ou bien glaciaire. Les périodes successives de température différentes sont dites stade isotopiques. Le notre est le I. (interglaciaire).
Rappel stratigraphie/sédimentationCf PLS spécial 22, climat europe & néanderthal - schéma des variations. (faire exo)
La cellule , unité du vivant, peut être organisée de différentes façons
Tous les êtres vivants sont constitués de cellules organisés selon le même plan général, mais dont l'aspect peut varier (cellules spécialisées).
Comment un plan général peut il conduire à de telles variations ?
Ou, dans les cellules, sont réalisés les différents mécanismes caractéristiques de la biosphère?
1) Les cellules différent de par leur organisation interne
Il existe deux grands types cellulaires:
· La cellule eucaryote est compartimentée. Elle renferme dans son cytoplasme plusieurs organites, petites entités exerçant des fonctions propres et qui sont isolées par une ou plusieurs membranes.
Les mitochondries, le noyau qui contient les chromosomes et les chloroplastes présents dans les cellules végétales sont des organites .
· La cellule procaryote n'est pas compartimentée. De petite taille, elle ne renferme aucun organite. Un chromosome unique baigne dans le cytoplasme, sans aucune séparation. Les procaryotes sont représentés par les bactéries.
2) La source d'énergie des cellules induit des différences supplémentaires
Les cellules effectuent des échanges avec leur environnement, au travers de leur membrane.
Au sein de ces cellules, l'énergie nécessaire est produite selon deux grands types de métabolisme*
Exemples (cf TP):
· respiration des levures / extraction des mitochondries
· photosynthèse de l'Elodée/ étude et extraction des chloroplastes
L'extraction et l'isolement des organites permet de montrer que:
- Les mitochondries sont le lieu de la respiration pour toutes les cellules eucaryotes
- Les chloroplastes sont le lieu de la photosynthèse dans les cellules végétales
Le support de l'information génétique est constitué par une ou plusieurs molécules d'ADN
Quelle est la nature chimique des chromosomes, supports de l'hérédité?
Sous quelle forme est le "système de contrôle" du développement et du fonctionnement de la cellule (programme génétique) ?
Les êtres vivants possèdent au sein de leurs cellules un "programme génétique" (donnant les caractéristiques de leur espèce + leurs caractéristiques individuelles) contenu, chez les Eucaryotes, dans le noyau. Ce programme se transmet de génération en générations sous forme de chromosomes, supports des caractères héréditaires.
1) Les chromosomes ne sont qu'un aspect de la chromatine
Les chromosomes ne se forment que lorsqu'une celle se divise. Le reste du temps, le noyau contient une matière granuleuse et hétérogène, la chromatine. La chromatine est un mélange de deux types de molécules (Doc p. 196-197): des protéines et de l'acide désoxyribo nucléique (ADN). L'ADN forme un très long filament qui s'enroule et se spiralise pour pouvoir tenir dans le noyau de la cellule.
Observations et expériences (ct TP) ont montré que c'est l'ADN qui est la molécule-support de l'information génétique.
2) L'ADN, molécule informative de tous les êtres vivants
21) L'ADN est une longue molécule constituée d'un enchaînement de nucléotides
La structure de l'ADN a été découverte en 1953 par J.Watson, F.Crick et R.Franklin ((Doc 3 p. 201).
L'unité de base de l'ADN est le nucléotide comportant:
• un sucre (désoxyribose)
• du phosphate (H3PO4)
• une des 4 base azotée suivantes: - adénine (A) - guanine (G) - cytosine (C) - thymine (T)
22 L'ADN est formé de deux brins formant une double hélice : Animation
La molécule d'ADN est formée de 2 chaînes qui se font face et qui sont enroulés en double hélice. Chaque brin est formé d'une chaîne de nucléotides reliés par des liaisons covalentes (solides !). Un brin peut donc être décrit comme une suite de nucléotide, comme par exemple ATTGCGCGCTTAA...
Molécule d'ADN: des bases à l'hélice
Les deux brins sont liés par des liaisons "faibles" (fragiles,type liaisons hydrogène) qui unissent les bases azotées deux à deux:
· A est toujours reliée à T,
· C est toujours reliée à G,
et cela quel que soit l'être vivant considéré, de la bactérie à la l'éléphant !
Ainsi, si un brin porte: ATTCGCG
le brin en face porte: TAAGCGC...
Zoom sur l'ADN (anglais facile)
Comment l'ADN peut-il être porteur d'une information ?
23) L'information génétique est constituée par l'ordre des nucléotides.
La suite des nucléotides le long d'un brin de la molécule peut être décrite comme un message écrit dans un code à 4 lettres (A, T, C et G). L'ordre dans lequel se succèdent les nucléotides sur l'un des brins de l'ADN (l'autre est complémentaire) constitue une séquence de nucléotides spécifique à chacun d'entre nous.
Un gène correspond donc à un morceau d'ADN portant une séquence particulière de nucléotides correspondant à un ou plusieurs caractères héréditaires.
3) Les mutations sont des modifications de la séquence de l'ADN d'un gène
31 Les mutations expliquent l'existence d'allèles différents pour un même gène
Une modification de la séquence de l'ADN est une mutation. Certains facteurs (UV, agents chimiques etc...) peuvent favoriser les mutations.
Pour un même gène, une modification d'un seul nucléotide (une seule "lettre" du code) peut être à l'origine de différences importantes au niveau du phénotype (p.208). L'existence de mutations permet donc une variabilité de l'information génétique. C'est ainsi que peuvent apparaître plusieurs versions, légèrement différentes, d'un même gène: un allèle du gène en question. Encore faut il que cette mutation soit transmissible!
32 Les mutations peuvent être transmissibles ou non.
· Une mutation affectant l'ADN d'une cellule somatique n'aura de conséquences qu'au niveau de l'individu a qui appartient cette cellule. Si une cellule devient cancéreuse, par exemple, cette modification ne pourra pas être transmise à la descendance de l'individu.
· Une mutation affectant l'ADN d'une cellule germinale (gamètes) pourra être transmise à la descendance de l'individu (p. 214).
33 Comme tous les êtres vivants utilisent l'ADN, il est possible de réaliser des transferts de gène (trangenèse) entre espèces différentes
Tous les gènes étant constitués d'ADN, il est possible expérimentalement d'extraire ("couper") un gène d'un organisme et de l'intégrer ("coller") dans un autre organisme qui va ainsi fabriquer le produit codé par ce gène transféré (un "transgène").
L'organisme que l'on obtient est dit "génétiquement modifié" (OGM).
Ex: Pour lutter contre certaines formes de diabète, il faut de l'insuline. Cette molécule doit être d'origine humaine. Des chercheurs ont transféré le gène de l'insuline humaine dans une bactérie. La bactérie peut être facilement cultivée en grande quantité et elle fabrique, en utilisant le gène humain, de l'insuline humaine que l'on peut facilement récupérer.
Lien vers un documentaire intégralement accessible (en anglais, sous titres = caption) décrivant l'ADN et le séquençage du génome humain...
De nombreux indices prouvent que tous les êtres vivants ont un ancêtre commun
1) Un même plan d'organisation pour des organismes différents
Tous les Vertébrés ont un squelette interne osseux constitué:
-d'un axe dorsal, la colonne vertébrale
-d'un crâne contenant l'encéphale (dissection d'un cerveau)
-de ceintures reliant deux paires de membres à la colonne vertébrale
De plus, les organes sont disposés de la même manière par rapport aux axes du corps:
• un axe antéro-postérieur
• un axe de symétrie bilatérale
Kit de dissection virtuelle d'une grenouille (en français)
(par exemple le tube nerveux est dorsal) chez tous les Vertébrés (cf TP).
Chez d'autres animaux, comme les Insectes ou les vers, les organes n'ont pas la même disposition (chaîne nerveuse ventrale par exemple). Il existe donc plusieurs plans d'organisation des êtres vivants, qui peuvent être différent de celui des Vertébrés (dissection d'une mouche).
2) La construction des individus se réalise de façon similaire
21 le développement des embryon commence de lamême façon
La formation d'un nouvel individu débute par la fécondation, fusion de deux gamètes aboutissant à une cellule-uf. Celle-ci se divise pour former un embryon pluricellulaire. Lors des premiers stades de développement de l'embryon, des vertébrés très différents à l'état adulte présentent un aspect indiscernable: les embryons sont identiques.
22) Les mêmes gènes construisent les individus d'espéces différentes
Les gènes appelés homéotiques sont responsables de la mise en place des organes. On les retrouve chez diverses espèces animales et ils présentent des séquences de nucléotides similaires d'un groupe à l'autre. On les qualifie pour cela de gènes homologues.
Un autre exemple de la plasticité de l'information génétique nous est fourni par des gènes HOM qui guident le développement embryonnaire. Il se trouve que ces gènes sont similaires entre des organismes très éloignés évolutivement, comme la mouche et la souris par exemple. Simplement, les vertébrés ont 4 copies de ces gènes, et les mouches, une seule. C'est ce que l'on appelle une "orthologie" (homologie génétique dans des espèces très différentes). Là ou cela devient intéressant, c'est que les gènes de la souris peuvent parfaitement remplacer ceux de la mouche, et conduisent au développement du système nerveux... d'une mouche!
Les gènes qui régulent le développement du cerveau sont encore plus étonnants: nommés otd chez la mouche, ils existent chez la souris sous forme de plusieurs copies, les otx. Imaginez que l'on enlève les gènes otd à un embryon de mouche: tout l'avant du système nerveux ne se développe pas. Imaginez ensuite que l'on remplace les gènes otd (mouche) par les otx (souris): ceci a été fait, et on obtient alors... des mouches normales! Autrement dit, le même ADN qui chez la souris guide la formation d'un cerveau de souris va, dans une cellule de mouche, guider la fabrication d'un cerveau de mouche... Ceci nous montre, outre l'identité des molécules qui guident l'expression des gènes chez ces deux espèces, que l'expression de l'information contenue dans l'ADN est totalement dépendante du milieu dans lequel se trouve cette molécule.
3 - Le bilan de nos connaissances nous démontre l'existence d'une évolution à partir d'un ancêtre commun
• Tous les êtres vivants sont constitués de cellules dont l'organisation est semblable.
• Toutes les cellules tirent leur énergie de trois métabolismes seulement (respiration, fermentation, photosynthèse)
• Ils ont un programme génétique constitué d'ADN.
• La séquence d'ADN des gènes peut être similaire d'une espèce à une autre (en particulier pour les gènes homéotiques, c'est à dire ceux du développement). De nombreux autres génes sont ainsi "conservés" et retrouvée à l'identique chez des animaux très différents (la mouche et l'homme, par exemple...)
• Les premières étapes du développement embryonnaires sont similaires dans de grands groupes comme les vertébrés.
• Les plans d'organisation des êtres vivants d'un même groupe sont semblables.
Toutes ces similitudes donnent à penser qu'il existe une relation de parenté entre les êtres vivants, c'est à dire qu'ils ont un ancêtre commun.
A la demande de certains élèves, voici quelques portraits de ces ancêtres (je me limite au petit groupe des vertébrés) (reconstitutions d'après fossiles, tirés de l'ouvrage " The Marshall illustrated encyclopedia of dinosaurs and prehistoric animals" des Pr. Cox, Savage et Gardiner et des Dr Harrison et Palmer). Attention, les animaux cités ne sont pas à proprement parler les "ancêtres communs", mais ils donnent une idée de ce à quoi ces derniers pouvaient ressembler (pour en savoir plus, faites une recherche sur google à partir du nom de ces bestioles).
Ci contre: cette bestiole aquatique de 5 cm de long, nommée Pikaia, est sans doute l'ancêtre de tous les vertébrés...
Ci
contre: cette
gracieuse bébête aquatique de 60 cm de long répondant au
doux nom d'Acantostega, est sans doute l'ancêtre de tous
les vertébrés possédants 4 membres (les tétrapodes). Il
vivait au Dévonien, et ses papattes lui servait à naviguer
parmis les racines d'arbres.
Voici
Lizzie, de son vrai nom Westlothiana. Découvert en
1984, cet animal de 30 cm est l'ancêtre des reptiles,
mammifères et oiseaux...
Cette créature d'1 m de long a été
baptisée Protarchaeopteryx.
Il n'est pas difficile de deviner de quels animaux ce
dinosaure est l'ancêtre....
Cet
animal de 10 cm de long, Crusafontia, est contemporain de
la fin des dinosaures (Crétacé).
D'après ses os, les chercheurs pensent qu'il devait
posséder une poche ventrale pour ses petits. L'ancêtre
commun aux mammifères devait ressembler à cet animal, qui
n'est pas sans rapeller les lémuriens actuels de l'ile de
Madagascar (ci dessous)
L'ORGANISME HUMAIN ET L'EFFORT MUSCULAIRE
L'activité musculaire modifie le fonctionnement de l'organisme
1 - Le fonctionnement des systèmes cardiaque et respiratoire est modifié pendant un effort
11 - L'effort entraîne une augmentation du rythme cardiaque
La fréquence des battements cardiaques humains est, au repos, comprise entre 60 et 90. Lors d'un effort physique, cette fréquence augmente en fonction de l'intensité de l'effort réalisé. Il existe cependant une fréquence limite qui ne peut être dépassée, même par les exercices les plus intenses.
12 - La ventilation pulmonaire est intensifiée pendant un effort
La ventilation pulmonaire assure l'entrée (inspiration) et la sortie (expiration) de l'air dans les poumons (1 cycle respiratoire = 1 inspiration + 1 expiration).
A chaque cycle, le volume d'air échangé est le volume courant Vc. Le débit ventilatoire est le volume d'air échangé par unité de temps (Vc x fréquence).
Pendant un effort:
• la fréquence respiratoire peut-être multipliée par 3,5.
• le volume courant par 6.
• le débit ventilatoire peut donc être multiplié par ± 20 (il rentre 20 fois plus d'air, donc d'O2, dans les poumons qu'au repos pendant le même temps).
Lors d'un effort physique, il y a donc augmentation simultanée du rythme cardiaque et du débit ventilatoire.
2 Les besoins des cellules musculaires sont augmentés dans un muscle actif
21-Echanges des cellules musculaires
Les cellules musculaires utilisent les nutriments (AA, AG, sucres...) issus de la digestion et l'02 de l'air (poumons) qui sont acheminés aux muscles grâce à la circulation sanguine. Dans les mitochondries, le glucose est oxydé (respiration), libérant de l'énergie dont une partie est utilisée par les cellules pour accomplir leur fonction (contraction) et l'autre est rayonnée sous forme de chaleur.
22 - Origine du supplément d'énergie nécessaire pendant l'effort
221 Les cellules musculaires disposent de 2 sources de glucose
L'analyse de fragments musculaires montre que, lors de l'effort, il y a diminution de la quantité de glycogène dans les cellules musculaires. Parallèlement, il y a utilisation du glucose sanguin.
Les cellules musculaires utilisent donc le glucose présent dans le sang ainsi que le glycogène musculaire (forme de stockage du glucose). Plus l'exercice est intense ou long, plus la consommation de glucose sera forte.
222 Pour chaque individu, il existe une limite à l'alimentation des cellules musculaires en O2
La consommation d'02 augmente linéairement avec la puissance de l'effort jusqu'à atteindre une valeur maximale, même si la puissance de l'effort s'accroît encore : l'individu atteint son V02 max, qui est la consommation d'oxygène maximale que ses muscles peuvent réaliser (c'est ce facteur qui limite les efforts possibles).
Le V02 max d'un individu dépend de plusieurs facteurs : âge, sexe, génétique. . . Il peut être augmenté, dans certaines mesures, grâce à l'entraînement.
L'activité cardio-vasculaire permet l'alimentation des muscles en O2
Voir le cours de cinquième à ce sujet
1) Le cur, une pompe double, est le moteur de la circulation sanguine
Le sang circule en circuit fermé dans les artères et les veines :
• -les artères, vaisseaux profonds; conduisent le sang du cur aux organes
• -les veines, plus superficielles, ramènent le sang des organes au cur.
Lors d'une révolution cardiaque, le cur se remplit de sang au cours de la diastole, puis se vide partiellement au cours de la systole (contraction) des oreillettes puis des ventricules. La compartimentation du cur, les valvules auriculo-ventriculaires et les valvules aortiques imposent au sang une circulation unidirectionnelle (cf TP):
• -la fermeture des valvules auriculo-ventriculaires empêche la remontée du sang dans les oreillettes
• -la fermeture des valvules aortiques empêche le reflux du sang vers les ventricules.
C'est l'évolution de la pression sanguine dans les cavités cardiaque qui règle le parcours sanguin.
• Schémas du coeur
• fonctionnement cardiaque (cycle, bruits, activité électrique)
• un petit film montrant un coeur en train de battre (lien oreillette/ventricule bien visible)
• Des animations reconstruites: coeur battant vu de l'intérieur, réseau des artéres coronaires....
2) La circulation sanguine comprend deux circuits (général et pulmonaire)
21 une circulation en série, une distribution en parallèle
La totalité du sang qui est passé dans la circulation générale passe dans la circulation pulmonaire (ces 2 circulations sont "en série"). Les débits dans les deux circulations sont égaux et la totalité du sang est rechargée en 02 avant de repasser par les organes ( le sang est saturé en 02 dans la veine pulmonaire).
Les différents organes (hormis les poumons) sont alimentés en parallèle par l'ensemble des artères (système artériel). Ils reçoivent tous du sang hématosé (riche en O2).
22 La répartition du sang hématosé est modifiée selon les besoins
Lors d'un effort, le débit sanguin augmente et il y a modification de la répartition du sang entre les différents organes: les muscles deviennent prioritaires par rapport aux organes non indispensables à l'effort comme I'intestin, les reins... Ceci est possible grâce aux cellules musculaires qui entourent les vaisseaux sanguins: leur contraction permet une diminution du débit sanguin alors que leur relâchement permet une augmentation du débit.
3) Pendant un effort, les fonctions cardiovasculaires et respiratoires sont coordonnées
Lorsque les besoins respiratoires (O2, glucose, élimination du CO2) des muscles augmentent:
• rythme respiratoire et volume courant augmentent, le débit ventilatoire s'accroît, l'O2 passe plus vite dans le sang et le CO2 en est extrait plus rapidement car...
• l'amplitude et la fréquence des battements cardiaque augmentent, ce qui augmente le débit sanguin. L'O2 et le glucose sont apportés plus rapidement aux muscles alors que le CO2 est évacué plus vite.
4 - Le contrôle des fonctions cardio-respiratoires est en grande partie automatique mais modulable
41) L'activité cardiaque, un automatisme modifiable en cas de besoin
Le cur se contracte spontanément de façon rythmique (même en dehors de l'organisme, pendant un certain temps). Il bat sans ordres du système nerveux. C'est l'automatisme cardiaque.
Cependant, deux nerfs sont reliés au coeur. Leur stimulation électrique a permis de découvrir leur rôle:
• la stimulation du nerf du système sympathique augmente l'amplitude et le rythme des battements cardiaques. Ce nerf provient d'un centre cardio-accélérateur situé dans le bulbe rachidien.
• la stimulation du nerf du système parasympathique (nerf X, dit aussi nerf vague) diminue l'amplitude et le rythme des battements cardiaques. Il est issu d'un centre cardio-modérateur bulbaire.
Au repos, l'action du nerf vague est dominante : l'activité cardiaque est freinée en permanence. L'activité cardiaque est donc constamment modulée par le messages nerveux en provenance de l'encéphale (bulbe rachidien).
42) L'activité respiratoire est également un automatisme modifiable
421 Rappels: les mouvements respiratoires
Les poumons ne contiennent pas de muscles et ne se contractent pas, ils suivent les mouvements de la cage thoracique. Lors de l'inspiration :
• les muscles élévateurs des côtes et les muscles intercostaux se contractent, provoquant le soulèvement des côtes.
• le diaphragme se contracte, s'abaisse et augmente le volume pulmonaire par le bas.
• Le volume de la cage thoracique augmente et l'air entre (phénomène actif).
Lors de l'expiration :
• - le diaphragme remonte par relaxation
• - les côtes s'abaissent par relâchement des muscles intercostaux et des muscles élévateurs
• Ceci entraîne la diminution du volume de la cage thoracique et la sortie d'air (phénomène passif).
422 Le bulbe rachidien contrôle l'activité respiratoire
L'activité respiratoire est contrôlée par un centre respiratoire situé dans le bulbe. Ce centre stimule automatiquement de façon rythmique les muscles respiratoires par l'intermédiaire de nerfs respiratoires.
Il détermine ainsi le rythme et l'amplitude des mouvements de la cage thoracique et donc le débit ventilatoire.
Le cortex cérébral, siège de la pensée consciente (et des activités volontaires) peut influencer le centre bulbaire pour intensifier l'expiration, l'inspiration, retenir sa respiration, pratiquer une hyperventilation (toujours dangereuse!)...
Les mouvements respiratoires sont donc causés par une activité nerveuse automatique mais peuvent être modulés de façon consciente en fonction des besoins de l'organisme.
Avant un exercice, par exemple, le cortex cérébral envoie des ordres pour stimuler le centre respiratoire, permettant à l'organisme d'anticiper l'effort pour être plus efficace.
Fin du programme de seconde