La biologie du sport

La capacité à se déplacer était essentielle à la survie de l'homo sapiens, et donc à son évolution. Nous avons survécu uniquement parce que nous nous sommes adaptés musculairement pour échapper aux ennemis et obtenir de la nourriture. Selon la théorie de l'évolution, c'est le plus fort qui survit. Qui dit plus fort, dit forcément plus faible, et nous avons donc une meilleure chance de survie que lui. Aujourd'hui, les athlètes courent plus vite, sautent plus haut et sont plus forts que jamais dans l'histoire de l'humanité.

La biologie du mouvement et de l'adaptation à des facteurs de stress spécifiques est une entreprise extrêmement complexe. En effet, un seul mouvement nécessite une interaction orchestrée de plusieurs organes et tissus simultanément, ce qui est vrai tant au niveau cellulaire que systémique. On pourrait mener des recherches fructueuses en décomposant certains systèmes biologiques en différents éléments que l'on examinerait de manière isolée ; pour autant, ces dernières demeurent trop complexes dans le cas de la biologie intégrative du mouvement, et il n'est pas possible de tirer des conclusions générales sur l'organisme entier à partir de systèmes isolés.

La biologie du sport

Le sport n'est en réalité rien de plus que la perturbation d'un équilibre biochimique. Notre corps tente d'échapper à ce défi par le biais de réactions aiguës et adaptatives au niveau cellulaire et systémique afin de minimiser cette perturbation. Les muscles sollicités ont besoin d'oxygène et d'énergie. Par conséquent, notre corps fait tout ce qu'il peut pour répondre à ces besoins afin de maintenir l'intensité qui lui est demandée. Pour ce faire, vous pouvez réaliser une expérience simple sur soi-même : essayer de résoudre un problème difficile de calcul mental lors d'un entraînement par intervalles à haute intensité sur un ergomètre, tel qu'un vélo d'appartement ou un tapis de course à pied. Il est fort probable que vous essuyiez un échec.

Les recherches dans le domaine du sport

On suppose que les humains ont pu évoluer jusqu'à ce point parce qu'ils ont développé une musculature durable et une étonnante capacité de thermorégulation. Ces aptitudes ont permis à nos ancêtres en Afrique de chasser les animaux. Les recherches suggèrent que les régimes alimentaires riches en protéines ont contribué à l'évolution et à l'élargissement de notre cerveau, nous permettant de développer des comportements de collaboration complexes. Nos muscles squelettiques, nos membres ainsi que les systèmes ventilatoire, cardiovasculaire et métabolique se sont adaptés à la marche en position verticale, car elle est beaucoup plus économique que celle à quatre pattes. Par conséquent, lorsqu'il s'agit de marcher ou de courir sur deux jambes, nous devançons les primates à cet égard.

L'époque était caractérisée par un mode de vie se déroulant par phases. Si les chasseurs réussissaient, il y avait de la nourriture. Si le temps ou la sécheresse ne permettait pas de chasser, on mourait de faim. L'évolution a répondu à ces circonstances en favorisant les gènes qui régulent l'utilisation et le stockage efficaces de la propre énergie du corps. Face à ce mode de vie physiquement actif, notre constitution génétique a évolué. Ce matériel génétique, conçu pour le mouvement et l'utilisation efficace de l'énergie, est maintenant exposé à notre mode de vie moderne et sédentaire. Ce dernier augmente le risque de maladies chroniques. Voici donc les raisons pour lesquelles nous faisons des recherches sur le sport :

• pour mieux comprendre les maladies qui déclenchent notre inactivité ;
• pour comprendre comment l'exercice peut aider à prévenir les maladies ;
• pour comprendre les connexions moléculaires et arriver à cibler la maladie grâce à la compréhension de l'exercice comme moyen de prévention de la maladie ;
• pour comprendre les limites de capacité de nos systèmes physiologiques. Nous, les humains, sommes de bons athlètes. Par rapport au guépard, capable d'atteindre une vitesse de 110 km/h, nous sommes néanmoins loin derrière.

Qu'est-ce que le sport ?

Quand on parle de mouvement, on parle de l'activation volontaire des muscles squelettiques dans le cadre d'une activité récréative, sportive ou professionnelle. Dans ce contexte, il est important de distinguer les méthodes expérimentales in vivo, à l'intérieur du corps, et ex vivo, à l'extérieur du corps. Par exemple, en prélevant un morceau de tissu musculaire du corps d'une souris et en le stimulant avec un courant électrique, on déclenche un potentiel d'action et une contraction. Toutefois, il n'est pas possible de comprendre de cette manière les adaptations supplémentaires provoquées dans le corps. Par conséquent, les expériences ex vivo doivent toujours être interprétées avec prudence et ne conviennent pas à l'extrapolation des résultats.

L'activation volontaire des muscles va bien au-delà d'une simple contraction musculaire. L'intention d'effectuer un mouvement généré dans le cortex moteur du cerveau amène la moelle épinière à recruter des unités motrices de la musculature, ce qui permet d'obtenir le mouvement souhaité. Parallèlement aux signaux neuronaux envoyés aux muscles squelettiques, il existe également des signaux forts envoyés aux systèmes cardiovasculaire, respiratoire et hormonal pour répondre aux demandes métaboliques des muscles contractés.

Nous ne pouvons développer une compréhension des adaptations à l'entraînement qu'en prenant en compte les nombreux facteurs tels que vitesse, force, durée, intensité des contractions musculaires et masse musculaire impliquées dans l'activité. Une forte, mais courte contraction isométrique (génération de force sans modification de la longueur du muscle, par exemple lors d'une poussée contre le mur) comprime les vaisseaux sanguins dans les muscles contractés et limite l'afflux sanguin et donc l'apport en oxygène. En revanche, dans les sports rythmiques continus comme le cyclisme ou la course à pied, les temps de contraction se veulent courts et la circulation sanguine des muscles est à peine perturbée, ce qui minimise les fluctuations de la pression sanguine. La masse musculaire impliquée dans les activités aérobies, par exemple la course ou le vélo, est d'environ 15 kilos pour une personne pesant 70 kilos. Pour l'aviron ou le ski de fond, elle est plus élevée.

La terminologie utilisée pour la quantification des intensités d'entraînement est également pertinente. Pour les exercices dépassant cinq minutes, l'intensité est généralement exprimée en pourcentage de la VO2max d'une personne (consommation maximale d'oxygène [ml ∙ kg-1 ∙ min-1]). Les intensités d'exercice faibles, modérées et élevées correspondent respectivement à < 45 %, 45 %-75 % et > 75 % du VO2max individuel.

Le métabolisme de nos muscles

La réserve du corps en énergie est l'adénosine triphosphate, ou ATP en abrégé. L'adénosine se compose de l'adénine, une base nucléique, et du ribose, un sucre. La molécule complète comprend donc l'adénine, le ribose et trois phosphates. L'ATP est utilisée pour produire de l'énergie en décomposant les différents phosphates dans une réaction biochimique appelée hydrolyse. Comme le nom hydrolyse l'indique, l'eau est nécessaire dans ce processus de scission. À partir d'une molécule d'ATP, les molécules de phosphate peuvent maintenant être clivées en continu, ce qui conduit dans un premier temps à l'adénosine diphosphate (ADP) et dans un second, à l'adénosine monophosphate (AMP).

Notre corps a besoin d'ATP pour que les muscles se contractent. Grâce à sa capacité à recycler cette énergie, il peut maintenir les niveaux d'ATP dans les muscles pendant de longues périodes, selon l'intensité. Lors d'un entraînement au sprint, le stock d'ATP est jusqu'à 100 fois supérieur aux dépenses minimales, distançant le métabolisme de tous les autres tissus. En contrepartie, les muscles sont très énergiquement sollicités. Comme les réserves intramusculaires d'ATP sont relativement faibles, toutes les voies métaboliques capable de recycler l'ATP sont activées. Pendant un sprint court maximal (de 30 à 60 s), beaucoup d'énergie est utilisée dans les muscles contractés. Cette énergie provient de voies métaboliques capables de fournir rapidement de l'ATP. Si la production d'ATP ne peut plus répondre à la demande, il faut inévitablement réduire l'intensité. C'est l'une des raisons pour lesquelles on ne peut pas extrapoler un temps pour une course de 800 mètres à partir d'un sprint de 100 mètres. Par conséquent, il est important que l'énergie stockée à l'extérieur des muscles puisse être mobilisée pour maintenir le métabolisme des muscles pendant un exercice prolongé. Ainsi, le foie libère du glucose et les cellules adipeuses libèrent des acides gras dans le sang, ce qui contribue à la production d'énergie. La contribution relative des glucides et des lipides au métabolisme aérobie, principalement déterminée par l'intensité, dépend du régime alimentaire précédent, de l'état d'entraînement, du sexe et des conditions de température ambiante.

Le transport de l'oxygène

Au repos, la consommation d'oxygène du corps atteint une moyenne de 3,5 ml/kg/min chez les jeunes adultes en bonne santé, dont 20 à 25 % environ sont utilisés pour les muscles squelettiques. Pour une personne de 70 kg, la consommation d'oxygène au repos est donc de 250 ml/min, dont 50 ml/min absorbés par les muscles. Chez les adultes en bonne santé, mais non entraînés, le VO2max est généralement de 10 à 15 fois supérieur aux valeurs au repos. Chez les athlètes d'élite entraînés à l'endurance, le taux d'oxygène maximal peut dépasser 85 ml/kg/min. Bien que le volume maximal d'oxygène soit élevé chez l'homme, il est minime par rapport aux chevaux de course de classe mondiale dont les valeurs de VO2max sont de 110 l/min, ce qui équivaut à 220 ml/kg/min.

Le volume maximal d'oxygène est le résultat d'une combinaison de plusieurs facteurs ; premièrement de la capacité du système nerveux central à recruter les unités motrices des muscles ; deuxièmement de l'apport d'oxygène par les systèmes pulmonaire et cardiovasculaire aux muscles contractés et de la capacité des muscles à utiliser l'oxygène entrant dans les processus métaboliques aérobies. Avec une forte augmentation de la consommation d'oxygène lors de sollicitations maximales, des valeurs de pointe pour le débit cardiaque et la ventilation, avec respectivement 40 et 200 l/min, ont été atteintes chez l'homme. Cela correspond à une augmentation de 8 à 20 fois par rapport à la consommation au repos. En outre, le flux sanguin vers les muscles squelettiques actifs peut être multiplié par cent. Cependant, il convient de noter que la pression artérielle n'augmente que légèrement, d'environ 20 %. Notons également que les pressions partielles de l'oxygène et du dioxyde de carbone dans les artères restent pratiquement identiques aux valeurs mesurées au repos jusqu'à ce que l'intensité maximale de l'exercice soit atteinte.

Les adaptations cardiovasculaires à l'exercice, qui exigent un système nerveux autonome intact, sont contrôlées par trois signaux : primo, selon l'intensité, des signaux ciblés envoyés au cerveau stimulent les régions qui augmentent la fréquence cardiaque et respiratoire ; deuxio, la réaction des nerfs des muscles contractés augmente les performances ; tertio, les capteurs de pression sanguine fournissent aux régions cardiovasculaires une réaction sur la pression sanguine.

Le flux sanguin est régulé de manière à ce que l'apport en oxygène puisse répondre à la demande métabolique des muscles, de telle sorte qu'il est réquisitionné des reins, du foie et d'autres organes internes pour alimenter les muscles. Le flux sanguin vers le système nerveux central reste inchangé ou augmente légèrement. Le flux sanguin vers le cœur augmente. L'évaporation de la sueur est le seul moyen de dissiper la chaleur. Par conséquent, pendant le sport, il y a une augmentation du flux sanguin dans la peau et une perte de liquide causée par la transpiration. Cependant, avec l'augmentation de l'intensité, l'apport sanguin à la peau baisse pour fournir aux muscles encore plus d'oxygène. Afin de maintenir une pression artérielle constante, les muscles ont la priorité sur la peau. Si nous nous approchons de notre consommation maximale d'oxygène, l'apport sanguin aux muscles est coupé pour assurer ainsi la capacité de pompage du cœur. Les fonctions essentielles du système cardiovasculaire consistent à maintenir la saturation en oxygène du sang et à éliminer le dioxyde de carbone produit lors du métabolisme aérobie. Notre corps, régulé par notre cerveau, y parvient en augmentant le rythme de la respiration.

Cette interaction de processus réglementés et complexes est fascinante. La recherche dans ce domaine, extrêmement passionnante, nous permet d'élucider les structures atomiques et leur fonctionnement. Grâce à nos recherches, nous pouvons contribuer à améliorer les performances sportives et aider les athlètes à atteindre leurs objectifs de manière plus efficace, plus effective et plus factuelle. Toutefois, il ne s'agit là que d'un objectif secondaire. Dans le fond, ce que nous voulons, c'est développer une compréhension de l'interaction complexe entre la santé et les maladies causées par l'inactivité.

Prochaine thématique

Vous voulez engranger plus de connaissances scientifiques sur des sujets comme la santé et le sport ? Il suffit de nous suivre ! Dans l'article suivant, nous aborderons les effets du sport sur la santé avec le Prof. Dr. Katrien De Bock du Département des sciences de la santé et de la technologie de l'ETH Zurich.