Physiologie de l'entraînement > Bio-énergétique > Le système ventilatoire

Etant donné la nécessité de présence d'oxygène pour le fonctionnement de l'humain, il existe un système permettant de remplir les fonctions d'échanges gazeux entre les cellules et le milieu extérieur.
L'absorption d'oxygène et l'élimination des gaz carbonique sont assurées par la ventilation pulmonaire. Celle-ci est réalisée par des phénomènes mécaniques d'expansion et de rétraction de la cage thoracique. Ces phénomènes provoquent l'inspiration et l'expiration d'air. Ces mouvements respiratoires obtenus par les contractions du diaphragme et des muscles intercostaux, sont réglés par le centre respiratoire situé dans le bulbe rachidien (12 cycles/mn chez l'adulte normalement). Ils permettent les échanges gazeux qui se font alors entre l'air alvéolaire et le sang des capillaires pulmonaires (l'oxygène diffuse vers le sang et le gaz carbonique vers l'alvéole).
L'appareil respiratoire est constitué :

• des voies aériennes (cavités nasales et buccale, pharynx, larynx, trachée et bronches), dont le rôle essentiel est d'assurer la filtration et l'épuration de l'air inspiré ;
• des deux poumons qui contiennent les alvéoles pulmonaires.

Le mécanique ventilatoire

Ce sont les déformations de la cage thoracique imposées par les muscles respiratoires qui rendent possible l'inspiration et l'expiration des gaz respiratoires, et ceci grâce à l'élasticité de la cage thoracique. L'intérieur de celle-ci est tapissée par un feuillet, tout comme la surface extérieure des poumons contenus dans le thorax. Ces deux feuillets sont accolés et représente une cavité virtuelle. Par le biais de jeux de pression et dépression intracavité et atmosphérique se créent des augmentations et des diminutions du volume pulmonaire.
Muscles de l'inspiration : le thorax est fermé à sa partie inférieure par le diaphragme, muscle fixé sur la colonne vertébrale et sur la face interne des côtes inférieures. Il a une forme convexe vers le haut et repose sur les viscères abdominaux. Sa contraction diminue sa longueur et réduit sa convexité. Il en résulte une augmentation de hauteur de la cavité thoracique. Conjointement, la contraction des muscles intercostaux externes, s'insérant près de la vertèbre sur la côte supérieure et à distance d'elle sur la côte inférieure, élève l'ensemble des côtes et de fait augmente la largeur du thorax. Comme les côtes sont obliques (en bas et en avant), leur élévation lors de l'inspiration augmente le diamètre antéro-postérieur du thorax. Les trois dimensions du thorax augmentées, c'est donc son volume qui est augmenté. La déformation sous-jacente des poumons crée une dépression dans l'espace alvéolaire et entraîne l'entrée d'air ambiant, donc l'inspiration.
Muscles de l'expiration : ordinairement, l'expiration est passive puisque l'arrêt de l'action des muscles inspiratoires permet à l'ensemble élastique thoraco-pulmonaire de reprendre sa position d'équilibre, correspondant au volume pulmonaire de fin d'expiration. Cependant, pour une ventilation importante ou forcée, l'expiration devient active par la mise en jeu des muscles expirateurs. Il s'agit essentiellement des muscles abdominaux, dont la contraction refoule les viscères et le diaphragme vers le haut, et réduisant donc le volume thoraco-pulmonaire.

Les volumes respiratoires

Au repos, lors de l'inspiration, un certain volume d'air entre dans les poumons. Lors de l'expiration, un certain volume de gaz appauvri en oxygène et enrichi en gaz carbonique est rejeté. Ce volume, inspiré ou expiré à chaque cycle ventilatoire, est appelé le Volume Courant (VC env. 0,5L). Ce dernier étant mobilisé F fois par minute (F = fréquence respiratoire) permet de calculer le débit ventilatoire (6L/mn au repos).
Si une inspiration forcée est effectuée, un volume dépassant le volume courant est enregistré. C'est le Volume de Réserve Inspiratoire (VRI env. 2L).
Si une expiration maximale est effectuée, est enregistré de manière analogue un Volume de Réserve Expiratoire (VRE env. 1,5L).
Lors de l'augmentation des besoins ventilatoires, le volume courant s'accroît aux dépens des volumes de réserve expiratoire et surtout inspiratoire. Au terme d'une expiration maximale, un certain volume de gaz impossible à expirer reste dans les poumons. C'est le Volume Résiduel (VR env. 1,5L).
Il existe donc une capacité vitale (4-5L), qui est la somme de VRI + VC + VRE et une capacité totale (6L), somme de VRI + VC + VRE + VR.

L'adaptation ventilatoire à l'effort

Lors d'un exercice physique, la demande en oxygène devient plus importante au niveau des cellules musculaires participant à l'effort. Une augmentation du volume respiratoire est nécessaire et le débit ventilatoire passe de 6 l/mn jusqu'à 200 l/mn possible. La ventilation augmente pour apporter de l'oxygène supplémentaire à l'organisme et éliminer le gaz carbonique produit. L'adaptation du débit est dûe à l'augmentation de la fréquence respiratoire (de 12 cycles/mn à 60) et à l'augmentation de l'amplitude ventilatoire (de 0,5l à 3,5l).
Au début de l’exercice, a lieu une augmentation de l’amplitude et de la fréquence des mouvements respiratoires. Cette élévation croît au fur et à mesure de l’augmentation de l'intensité de l’exercice physique.
Dans le cas où cette intensité, élevée au début devient modérée, les rythmes respiratoires et circulatoires se stabilisent. Un équilibre entre la consommation et les apports d’oxygène a lieu. C’est un état stable (stady state) correspondant au second souffle où l’effort paraît plus facile. En revanche plus l’athlète soutient un effort intense, plus le débit augmente jusquà atteindre une limite pour laquelle tout l’oxygène disponible au niveau musculaire est utilisé. Il s'agit du débit maximal d'oxygène ou VO2max ( voir Glossaire des termes utilisés en endurance). A l'arrêt de l'effort, une phase de récupération ramène les valeurs respiratoires progressivement à leur valeur initiale. L'organisme paye la dette d'oxygène constituée pendant la phase de mise en train. La récupération sera ainsi d'autant plus longue que la mise en train aura été plus lente où la dette accumulée importante.