La respiration

Pour répondre aux besoins énergétiques très importants de l'effort musculaire, une grande quantité de nutriments est nécessaire pour ravitailler la cellule en oxygène et débarrasser l'organisme des déchets gazeux: le dioxide de carbone.

Le système respiratoire et cardio-vasculaire permet de remplir ces fonctions. L'échange de l'oxygène et du gaz carbonique (appelé respiration), entre la cellule et le milieu extérieur, est assuré par la ventilation et la diffusion.

La ventilation

La ventilation se fait par les voies aériennes et les poumons.

Les voies aériennes

Sont composées de conduits qui apportent l'air aux alvéoles pulmonaires: les fosses nasales, le pharynx (carrefour des voies respiratoires et digestives), le larynx, la trachée et les bronches. Le rôle de ces voies pulmonaires est d'assurer l'épuration et la filtration de l'air inspiré.

Les poumons

Au nombre de deux (un droit et un gauche), les poumons sont situés dans la cage thoracique. Ils sont séparés par le coeur ainsi que des vaisseaux sanguins. En pénétrant dans les poumons, les bronches se divisent en passages étroits appelés bronchioles.

Les bronchioles se terminent en formant des petits sacs appelés alvéoles pulmonaires. Les bronchioles véhiculent l'air vers les alvéoles pulmonaires.

Les poumons sont recouverts d'une membrane, la plèvre qui assure la lubrification des organes respiratoires évitant ainsi les frottements contre les côtes et les autres organes pendant la respiration.

Mécanique ventilatoire

Dans l'appareil respiratoire, l'air est mobilisé par l'action des muscles respiratoires. La ventilation est composée de cycles respiratoires (mouvements d'inspiration et d'expiration).

Au repos, la fréquence ventilatoire est d'environ 12 à 20 cycles par minute et peut augmenter jusqu'à 30 cycles lors d'exercices musculaires intenses.

L'inspiration

Consiste à faire pénétrer l'air extérieur, dans l'appareil respiratoire. Elle est assurée par un muscle large en forme de coupole: Le diaphragme. Celui-ci forme une séparation entre l'abdomen et le thorax.

Son action est renforcée par des muscles accessoires appelés muscles inspirateurs (sterno-cléïdo-occipito-mastoidiens, scalènes). Ceux-ci participent davantage lors d'inspirations forcées.

L'expiration

Consiste à évacuer le gaz carbonique hors de l'appareil ventilatoire, vers l'air extérieur. Au repos, l'expiration est assurée essentiellement par l'élasticité des poumons.

Lors d'une expiration forcée, l'évacuation est renforcée par la contraction des muscles abdominaux.

Les volumes pulmonaires

Les poumons possèdent un certain nombre de volumes respiratoires:

Le volume courant

C'est le volume d'air entrant et sortant des poumons, lors de chaque respiration au repos. Il est d'environ 0.5 litre.

Le volume de réserve inspiratoire

C'est le volume d'air le plus grand qu'une personne peut inspirer (gonfler les poumons), après une inspiration normale de repos. Il est d'environ 2.5 litres.

Le volume de réserve expiratoire

C'est le volume d'air le plus grand qu'une personne peut expirer (vider les poumons), après une expiration normale de repos. Il est d'environ 1.5 litre.

La capacité vitale

C'est le volume d'air maximal d'air pouvant être expiré (en expiration forcée) après une inspiration forcée. Elle est d'environ 4.5 litres.

Le volume résiduel

A la suite d'une expiration forcée, il reste dans les poumons une quantité d'air d'environ 1.5 litre. C'est le volume résiduel.

La capacité pulmonaire totale

C'est le volume d'air contenu dans les poumons suite à une inspiration forcée maximale. Il est d'environ 6 litres. Après une expiration normale, il reste un volume de gaz dans les poumons qui est la capacité résiduelle fonctionnelle.

La diffusion

Le réseau capillaire situé dans le tissu alvéolaire permet l'échange de gaz entre l'air contenu dans les alvéoles et les cellules sanguines à l'intérieur des capillaires sanguins. Les capillaires sont si minuscules qu'ils ne permettent le passage que d'une seule cellule sanguine à la fois. Ce passage des cellules une à une et l'action de la membrane très fine et semi-perméable séparant le sac alvéolaire des capillaires, permettent à l'osmose de se faire.

L'osmose est le processus de passage d'une substance (dans ce cas l'oxygène et le gaz carbonique) à travers une membrane semi-perméable d'une région à haute concentration vers une région à concentration plus faible. Les cellules sanguines passant à travers les capillaires sont pauvres en oxygène et riches en gaz carbonique et autres déchets gazeux.

Il en résulte que le gaz carbonique traverse la membrane par un phénomène d'osmose et passe dans l'air contenu dans les alvéoles (qui est moins riche en gaz carbonique). De la même manière, l'oxygène de l'air, contenu dans les alvéoles, traverse la membrane par osmose et rejoint les cellules sanguines. Ainsi, le sang se débarrasse de l'excès de gaz carbonique (qui est par la suite expiré) et se régénère en oxygène.

LE DIAPHRAGME

Rappel anatomique

Le diaphragme est le principal muscle responsable de la respiration. Il est attaché à la paroi abdominale, aux vertèbres lombaires, aux dernières côtes et au sternum par un tissu tendineux. Il sépare la cavité thoracique de la cavité abdominale. Le diaphragme a la forme d'une voûte. Il est percé par des orifices qui laissent le passage à des vaisseaux (artères et veines), à des nerfs et à l'oesophage.

Mécanisme du diaphragme

Les fibres musculaires du diaphragme en se contractant abaissent le centre phrénique. Le diamètre vertical du thorax se trouve agrandi. L'abaissement du centre phrénique est limité par la masse des viscères abdominaux.

Ceux-ci faisant résistance, le centre phrénique devient alors un point d'appui et les fibres musculaires du diaphragme continuant leur contraction vont devenir élévatrices des côtes inférieures et du sternum. Le diaphragme provoque une augmentation du diamètre transversal de la cage thoracique.

ADAPTATION RESPIRATOIRE A L'EFFORT

Afin que les cellules musculaires puissent fonctionner normalement, elles doivent recevoir de l'oxygène, des nutriments nécessaires.

De même, pour évacuer le gaz carbonique produit lors de la contraction musculaire, l'organisme possède deux systèmes ( respiratoire et circulatoire) qui travaillent ensemble pour assurer ces fonctions.

Il faut distinguer deux types d'efforts pendant lesquels ces systèmes s'adapteront différemment:

L'effort dynamique: qui est caractérisé par des contractions et relâchements musculaires avec fréquences respiratoires et circulatoires élevées. Les efforts intenses s'effectuent en blocage respiratoire.

L'effort statique: qui s'effectue en blocage respiratoire. L'adaptation se fait après l'effort. Les exercices statiques de faible intensité s'effectuent en respiration haletante.

Adaptation respiratoire à l'effort dynamique

La fréquence ventilatoire

Au repos, la fréquence ventilatoire est de 12 à 20 mouvements respiratoires par minute.

A l'effort, elle atteint 30 et même exceptionnellement 60 respirations par minute.

On remarque que l'inspiration devient plus profonde et l'expiration active.

Le débit

Au repos, le débit ventilatoire est de 7 litres par minute. A l'effort il peut atteindre 60 à 70 litres par minute. Le débit maximum est obtenu à la fréquence cardiaque de 170 pulsations par minute.

Modifications physico-chimiques

Pendant l'effort, la consommation d'oxygène est multipliée par 3 à 10. Au niveau des tissus, on note une augmentation du débit sanguin ainsi qu'une mise en service de tous les capillaires sanguins.

Adaptation à l'effort d'endurance et de résistance

Le début de l'exercice

En début d'exercice, l'augmentation de la ventilation se fait en deux temps:

La première phase rapide

La puissance de l'exercice détermine une augmentation de la fréquence et de l'amplitude des mouvements respiratoires. Ceci est dû à l'action des influx nerveux provenant des faisceaux neuro-musculaires des muscles en activité qui jouent le rôle d'activateur.

Deuxième phase lente

Cette phase correspond à l'adaptation fine du débit ventilatoire. Elle est assurée par des récepteurs sensibles aux variations de la concentration en ions hydrogène H+. Toute modification de la concentration en ions H+, sensibilise les récepteurs centraux, qui, en réponse augmentent le débit ventilatoire permettant l'élimination du gaz carbonique. Pendant l'effort, l'élévation de la température augmente également la ventilation.

Lors d'effort de type endurance, un plateau de travail est atteint: c'est-à-dire que la demande et l'offre en oxygène sont en équilibre: c'est le second souffle.

Dans le cas d'un effort de type résistance, il n'y a pas de plateau de travail et la production importante de gaz carbonique, provoque l'essoufflement.

L'essoufflement

Pendant l'effort de résistance, il y a production de déchets: les lactates. Le sang devient acide et perd sa capacité de transporter le gaz carbonique. Les lactates vont exciter les centres inspiratoires.

Ceux-ci sont plus sensibles que les centres expiratoires, ils vont faciliter l'inspiration mais l'expiration devient difficile d'où une évacuation incomplète du gaz carbonique qui s'accumulera intoxiquant l'organisme et déclenchant l'essoufflement.

L'expiration devient de plus en plus difficile et oblige le pratiquant à s'arrêter, thorax bloqué en inspiration forcée, incapable de vider ses poumons.

La fin de l'exercice

A la fin de l'exercice, on observe deux phases de décrochage ventilatoire :

La première phase (rapide)

Les muscles devenus inactifs ne stimuleront plus la ventilation par le facteur neurogénique. La ventilation va chuter brutalement.

La deuxième phase

En début d'exercice, l'adaptation cardio-respiratoire demande une certaine inertie et ne peut pas répondre immédiatement à la demande de l'organisme. Il va se créer une dette d'oxygène que l'organisme devra payer à l'arrêt de celui-ci. Cette deuxième phase correspond au paiement de la dette d'oxygène.

Adaptation à l'effort statique

Les efforts statiques ou dynamiques de très grande intensité s'effectuent en blocage respiratoire.

Le blocage respiratoire

Le sportif fait une inspiration forcée, bloque sa glotte, les muscles expirateurs se contractent statiquement et l'air se trouve comprimé dans la cage thoracique. Celle-ci forme un bloc rigide, les muscles réalisant le mouvement peuvent prendre un appui solide sur la cage thoracique, leur force s'en trouve accrue.

Le blocage respiratoire répété souvent est néfaste pour la santé. La circulation pulmonaire est réduite car la pression intra thoracique pince ses vaisseaux.

Le retour sanguin vers le coeur est ralenti ainsi que la circulation cérébrale. A l'arrêt de l'effort, la circulation se rétablit très rapidement entraînant 'un coup de bélier' dangereux pour les personnes ayant des artères surtout cérébrales en mauvais état.

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L'appareil circulatoire

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To answer the very important energizing needs of the muscular effort, a great deal of nutriments is necessary to resupply the cell with oxygen and to rid the organism of gaseous wastes: carbon dioxide.

The respiratory and cardiovascular system fullfil these functions. The exchange of oxygen and carbon dioxide (called breathing) between the cell and the outside environment is assured by the ventilation and the diffusion.

Ventilation

The ventilation is performed by the aerial ways and the lungs.

The aerial ways

They are composed of ducts that bring air into the pulmonary alveoli: the nasal passages, the pharynx (respiratory and digestive crossroads), the larynx, the windpipe and the bronchi. The role of these pulmonary ways is to assure the purification and the filtration of the inhaled air.

Lungs

Two in number ( one on the right and one on left), the lungs are located in the rib cage. They are separated by the heart and by blood vessels. When they enter the lungs bronchi divide in narrow passages called bronchioles.

Bronchioles end in small bags called pulmonary alveoli. The bronchioles transport air toward the pulmonary alveoli. Lungs are covered with a membrane, the pleura, that assures the lubrication of the respiratory organs thus avoiding rubbings against the ribs and the other organs while breathing.

Ventilation mechanism

In the respiratory system, the air is mobilized by the action of the respiratory muscles. The ventilation is composed of respiratory cycles (movements of inhalation and exhalation). At rest, the ventilatory frequency is of about 12 cycles per minute and can rise up to 25 cycles during intense muscular exercises.

The inhalation

Consists in letting the outside air in the respiratory device. It is assured by a large muscle shaped as a dome: The diaphragm. This one forms a separation between the abdomen and the thorax.

Its action is reinforced by accessory muscles called inhalation muscles (sterno-cléîdo-occipito-mastoid, scalene). These are more active at the time of forced inspirations.

The exhalation

Consists in evacuating the carbon dioxide out of the ventilation system, toward the outside air. At rest the exhalation is essentially assured by the elasticity of lungs. At the time of a forced exhalation, the evacuation is reinforced by the contraction of the abdominal muscle.

The pulmonary volumes

Lungs possess a certain number of respiratory volumes:

The current volume

It is the volume of incoming and outgoing air in the lungs, at each breathing at rest. It is of about 0.5 liter.

The inhalation reserve volume

It is the biggest air volume that a person can inhale (to inflate lungs), after a normal inhalation at rest. It is of about 2.5 liters.

The exhalation reserve volume

It is the biggest air volume that a person can exhale (to empty lungs), after a normal exhalation at rest. It represents 1.5 liter.

The vital capacity

Is the volume of maximal air that can be exaled (in forced exhalation) after a forced inhalation. It is of about 4.5 liters .

The residual volume

After a forced exhalation, the quantity of air remaining in the lungs is of about 1.5 liter. It represents the residual volume.

The total pulmonary capacity

It is the volume of air contained in lungs after a maximal forced inhalation, it is of about 6 liters. After a normal expiration, the volume of gas remaining in the lungs is the functional residual capacity.

The diffusion

The capillary network situated in the alveolar tissue allows the exchange of gas between the air contained in the air and blood cells inside the capillary vessels. Capillaries are so minuscule that they allow the passage of only one blood cell at a time.

This passage of cells one by one and the action of the very thin and semi-permeable membrane separating the alveolar bag from capillaries, allow the osmosis to take place. The osmosis is the process of passage of a substance (in this case oxygen and carbon dioxide) through a semi-permeable membrane of a high concentration area toward an area of weaker concentration.

The blood cells passing through capillaries are poor in oxygen and rich in carbon dioxides and other gaseous wastes. The result is that part of the carbon dioxide crosses the membrane by a phenomenon of osmosis and passes in the air contained in alveoli (that is less rich in carbon dioxide).

In the same way, the oxygen of air, present in cells, crosses the membrane by osmosis and joins the blood cells. Thus, blood gets rid of the carbon dioxide excess (which is exhaled thereafter) and regenerates in oxygen.

The diaphragm

Anatomical reminder

The diaphragm is the main muscle responsible for breathing. It is attached to the abdominal wall, to the lumbar vertebras, to the last ribs and the sternum by a tendinous tissue.

It separates the thoracic cavity from the abdominal cavity. The diaphragm has the shape of an arch. It is pierced by openings that let the passage of vessels (arteries and veins), of nerves and of the oesophage.

Mechanism of the diaphragm

When they contract, the muscular fibres of the diaphragm lower the phrenic center. The vertical diameter of the thorax is enlarged. The lowering of the phrenic center is limited by the abdominal viscera mass.

These showing resistance, the phrenic center then becomes a point of support and the muscular fibres of the diaphragm continuing their contraction are going to arise the lower ribs and the sternum.

The diaphragm provokes an increase of the transverse diameter of the rib cage.

RESPIRATORY ADAPTATION TO THE EFFORT

So that the muscular cells can function normally, they must receive oxygen, and the necessary nutriments. In the same way, to evacuate the carbon dioxide produced at the time of the muscular contraction, the organism possesses two systems: the respiratory and circulatory systems that work together to assure these functions.

It is necessary to distinguish two types of efforts during which these systems will adjust differently:

The dynamic effort

That is characterized by muscular contractions and relaxings with elevated respiratory and circulatory frequencies. The intense efforts are realized by holding the breath.

The static effort

Realized by holding the breath. The adaptation is made after the effort. Static exercises of weak intensity are realized with panting breath.

Respiratory adaptation to the dynamic effort

Ventilation frenquency

At rest, ventilation frequency is of 15 to 20 respiratory movements per minute.

During the effort, it reaches 30 and sometimes even 60 breathings per minute.

One notices that the inhalation becomes deeper and exhalation more active.

The outflow

At rest, the ventilation outflow is of 7 liters per minute. During the effort it can reach 60 to 70 liters per minute. The maximum outflow is obtained with a cardiac frequency of 170 heartbeats per minute.

Physico-chemical modifications

During the effort, the consumption of oxygen is multiplied by 3 to 10. At the level of tissues, one notes an increase of the blood flow as well as a participation of all blood capillaries.

Adaptation to the effort in endurance and resistance

The beginning of the exercise

In the beginning of the exercise, the increase of the ventilation is carried out in two stages:

The first fast phase

The strength of the exercise determines an increase of the frequency and the amplitude of respiratory movement. It is due to the action of the nerve impulses coming from the neuro-muscular fascicules of the muscles in activity that play the role of activator.

Second slow phase

This phase corresponds to the precise adaptation of the ventilation outflow. It is assured by the chemoreceptors sensitive to the variations of concentration in H+ ions. Any modification of the concentration in H+ ions is going to sensitize the central chemoreceptors, that, as a response, will increase the ventilation outflow allowing the elimination of the carbon dioxide.

During the effort, the elevation of the temperature will also increase ventilation. At the time of effort like endurance, a level of work will be reached: that is to say that the supply and demand in oxygen will be in balance: it is the second breath.

In the case of resistance effort, there won't be any level of work and the important production of carbon dioxide will provoke panting breath.

The panting breath

During the effort of resistance, there will be a production of wastes: lactates. Blood becomes acid and loses its capacity to transport the carbon dioxide.

Lactates are going to excite inhalation centers. These are more sensitive than exhalation centers, they are going to facilitate the inhalation but the exhalation will become difficult, hence an incomplete evacuation of the carbon dioxide that will accumulate, thus poisoning the organism and will trigger off the panting.

Once panting is settled, the exhalation will become more and more difficult and will force you to stop, the thorax blocked in forced inhalation you are unable to empty the lungs.

The end of the exercise

At the end of the exercise, one observes two phases of ventilation breaking off:

The first fast phase

Muscles having become inactive won't stimulate ventilation anymore by neurogenic factor. Ventilation is going to fall brutally.

The second phase

In the beginning of the exercise, the cardio-respiratory adaptation asks for a certain inertia and cannot immediately respond to the demand of the organism.

It is going to create a debt of oxygen which the organism will have to pay at the end of the exercice. This second phase corresponds to the payment of the oxygen debt.

Adaptation to the static effort

The static or dynamic efforts of very big intensity are executed while holding the breath ( respiratory blocking).

The respiratory blocking

The sportsman makes a forced inhalation, blocks his glottis, the exhalation muscles contract themselves statically and the air is compressed in the rib cage. This one forms a rigid block, the muscles executing the movement can take a strong support on the rib cage, their strength being increased

The repeated respiratory blocking is often harmful for health. The pulmonary circulation is reduced because intrathoracic pressure pinches its vessels.

The blood return toward the heart is slow as well as the cerebral circulation. At the end of the effort, the circulation resumes very quickly, causing a waterhammer effect, dangerous... for people having bad arteries, especially cerebral.