Circulation sanguine : cœur, vaisseaux et double circulation

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Un sang qui circule en circuit fermé

Les organes ont besoin en permanence de dioxygène (O₂) et de nutriments, comme le glucose, pour fonctionner. Ils rejettent du dioxyde de carbone (CO₂). Le sang transporte ces substances dans un réseau de vaisseaux fermé : il ne quitte jamais les vaisseaux. Le dioxygène est transporté surtout par les globules rouges, qui contiennent une molécule appelée hémoglobine. Les nutriments circulent dans le plasma, la partie liquide du sang, qui transporte aussi une partie du dioxyde de carbone.

Le cœur : une pompe musculaire à quatre cavités

Le cœur est un muscle creux. Une cloison étanche le sépare en un cœur droit et un cœur gauche : le sang des deux côtés ne se mélange pas. Chaque côté comporte deux cavités : une oreillette, qui reçoit le sang arrivant par les veines, et un ventricule, qui l'envoie dans une artère. Des valvules, sortes de clapets, imposent un sens unique à l'écoulement.

À chaque battement, les ventricules se contractent et éjectent du sang. Deux grandeurs décrivent ce travail : la fréquence cardiaque (nombre de battements par minute) et le volume d'éjection (volume de sang éjecté par un ventricule à chaque battement). Leur produit donne le débit cardiaque : débit = fréquence × volume d'éjection.

Artères, capillaires, veines

• Une artère est un vaisseau qui conduit le sang du cœur vers un organe.
• Une veine est un vaisseau qui ramène le sang d'un organe vers le cœur.
• Les capillaires sont des vaisseaux minuscules, à paroi très mince, situés au cœur des organes. Les échanges de gaz et de nutriments entre le sang et les cellules s'y font.

Le nom d'un vaisseau dépend donc uniquement du sens de circulation du sang, et non de la composition de ce sang.

La double circulation

Chez l'être humain, le sang passe deux fois par le cœur à chaque tour complet :

1. Petite circulation (pulmonaire) : ventricule droit, artères pulmonaires, capillaires des poumons, veines pulmonaires, oreillette gauche. Dans les poumons, le sang gagne du dioxygène et perd du dioxyde de carbone.
2. Grande circulation (générale) : ventricule gauche, aorte, artères, capillaires des organes, veines caves, oreillette droite. Dans les organes, le sang cède du dioxygène et des nutriments et se charge en dioxyde de carbone.

Les deux circuits sont placés l'un après l'autre, et le cœur est la pompe commune. Le ventricule gauche, qui envoie le sang dans tout le corps, a une paroi plus épaisse que le droit.

Exemple analysé

Données pédagogiques simplifiées : le sang de l'artère pulmonaire contient 15 mL de dioxygène pour 100 mL de sang ; celui de la veine pulmonaire en contient 20 mL. Entre les deux, le sang a traversé les capillaires des poumons. On en déduit que c'est dans les poumons que le sang se charge en dioxygène : 20 − 15 = 5 mL de dioxygène gagnés par 100 mL de sang. Le raisonnement est général : on compare l'entrée et la sortie d'un organe pour repérer ce qui y est échangé.

Adaptation à l'effort

Un muscle qui travaille consomme davantage de dioxygène et de nutriments. L'organisme répond de plusieurs façons : la fréquence cardiaque augmente, le volume d'éjection augmente un peu, donc le débit cardiaque croît, et une plus grande part du sang est dirigée vers les muscles. Les muscles prélèvent aussi une plus grande fraction du dioxygène contenu dans le sang qui les traverse.

Un piège à éviter

Beaucoup d'élèves pensent que les artères contiennent toujours du sang riche en dioxygène et les veines du sang pauvre. C'est faux : l'artère pulmonaire transporte un sang pauvre en dioxygène, et la veine pulmonaire un sang riche en dioxygène. Pour classer un vaisseau, il faut regarder le sens de circulation par rapport au cœur, puis la composition du sang mesurée dans ce vaisseau.

Vocabulaire à retenir

• Oreillette, ventricule, valvule
• Artère, veine, capillaire
• Petite circulation, grande circulation
• Fréquence cardiaque, volume d'éjection, débit cardiaque

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Données pédagogiques simplifiées. Inès, 13 ans, en bonne santé, court à allure modérée pendant deux minutes lors d'une séance d'EPS. Elle remarque que son cœur bat plus vite et que ses jambes sont chaudes. Son professeur lui demande d'expliquer comment la circulation du sang répond à l'augmentation des besoins de ses muscles. Elle dispose d'un tableau de composition du sang dans cinq vaisseaux, et de mesures sur le fonctionnement du cœur et la répartition du sang. Elle doit déterminer comment le trajet du sang et le travail du cœur permettent d'alimenter les muscles, puis discuter les limites de ces données.

Document 1 : composition du sang dans différents vaisseaux (en mL pour 100 mL de sang)

Document 2 : le cœur et la répartition du sang

Mesures réalisées sur une même personne. Au repos : fréquence cardiaque 70 battements par minute, volume d'éjection du ventricule gauche 70 mL. À la fin de l'effort : 130 battements par minute et 90 mL. Dans l'aorte, la teneur en dioxygène reste proche de 20 mL pour 100 mL de sang en effort. Au repos, le sang qui sort des muscles contient 17 mL de dioxygène pour 100 mL.

Évolution de la fréquence cardiaque après l'arrêt de l'effort :

Part du débit cardiaque reçue par chaque organe :

Exercice 1 : lire le trajet du sang et localiser les échanges

1. Comparez les teneurs en O₂ et en CO₂ de l'artère pulmonaire et de la veine pulmonaire (Document 1). Indiquez dans quel organe se produit le changement.
2. Calculez la quantité de O₂ gagnée et la quantité de CO₂ perdue par 100 mL de sang dans cet organe.
3. Relevez, dans le Document 1, un vaisseau qui est une artère et contient un sang pauvre en O₂, et un vaisseau qui est une veine et contient un sang riche en O₂. Justifiez chaque choix.
4. Écrivez dans l'ordre le trajet d'une portion de sang qui part de l'aorte et revient dans l'aorte, en citant les cavités du cœur, les types de vaisseaux et les organes traversés.

Exercice 2 : calculer le travail du cœur et la répartition du sang

1. Calculez le débit cardiaque au repos et en effort (Document 2), en litres par minute.
2. Calculez de combien de fois le débit a été multiplié. Calculez aussi de combien de fois ont été multipliées la fréquence cardiaque et le volume d'éjection, puis dites lequel des deux contribue le plus à l'augmentation.
3. Calculez le débit de sang reçu par les muscles, puis par le système digestif, au repos et en effort, en litres par minute. Précisez ce que cela montre.
4. Calculez la quantité de O₂ prélevée par les muscles par minute, en mL, au repos puis en effort. Utilisez les débits calculés à la question 3 et les teneurs en O₂ des Documents 1 et 2 (1 L = 1000 mL). Pour cela, supposez que les teneurs en O₂ données pour le sang sortant d'un muscle (17 mL au repos, 8 mL en effort) représentent la moyenne du sang qui sort de l'ensemble des muscles squelettiques, et que le sang qui entre dans les muscles contient 20 mL de O₂ pour 100 mL. Calculez le facteur de multiplication et précisez que le résultat est une estimation.
5. Calculez de combien la fréquence cardiaque diminue chaque minute après l'arrêt de l'effort. Décrivez l'allure de l'évolution.

Exercice 3 : argumenter en confrontant les documents

1. Expliquez pourquoi le sang qui sort du muscle en effort contient seulement 8 mL de O₂ pour 100 mL, alors que celui de l'aorte en contient 20 (Documents 1 et 2).
2. Montrez que l'apport de O₂ aux muscles en effort s'appuie sur deux ajustements différents, l'un lié au cœur et à la répartition du sang, l'autre lié à l'organe lui-même.
3. Un camarade affirme : « Plus le cœur bat vite, plus le sang est riche en dioxygène. » Discutez cette affirmation à l'aide des documents.
4. Donnez deux limites des conclusions que l'on peut tirer de ces données, puis proposez un protocole simple et sans danger, réalisable en classe, pour comparer la fréquence cardiaque au repos et après un effort léger chez plusieurs élèves.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. L'artère pulmonaire contient 15 mL de O₂ et 52 mL de CO₂ pour 100 mL de sang. La veine pulmonaire en contient 20 de O₂ et 48 de CO₂. Le sang s'enrichit en O₂ et s'appauvrit en CO₂ entre les deux : le changement a lieu dans les poumons, au niveau de leurs capillaires.
2. O₂ gagné : 20 − 15 = 5 mL pour 100 mL de sang. CO₂ perdu : 52 − 48 = 4 mL pour 100 mL de sang.
3. L'artère pulmonaire est une artère (elle part du cœur vers les poumons) et son sang est pauvre en O₂ (15 mL). La veine pulmonaire est une veine (elle ramène le sang des poumons au cœur) et son sang est riche en O₂ (20 mL). Le nom du vaisseau dépend du sens de circulation, pas de la composition du sang.
4. Aorte, artères, capillaires des organes, veines caves, oreillette droite, ventricule droit, artère pulmonaire, capillaires des poumons, veines pulmonaires, oreillette gauche, ventricule gauche, aorte. Le sang passe deux fois par le cœur : c'est la double circulation.

Critères de réussite : comparer entrée et sortie de l'organe, exprimer les unités (mL pour 100 mL), ne pas confondre artère et sang oxygéné, citer les quatre cavités dans le bon ordre.

Exercice 2 : correction

1. Au repos : 70 × 70 = 4900 mL/min, soit 4,9 L/min. En effort : 130 × 90 = 11 700 mL/min, soit 11,7 L/min.
2. 11,7 ÷ 4,9 ≈ 2,4 : le débit est multiplié par 2,4 environ. Fréquence : 130 ÷ 70 ≈ 1,86. Volume d'éjection : 90 ÷ 70 ≈ 1,29. Le produit 1,86 × 1,29 donne bien 2,4. L'augmentation de la fréquence contribue le plus.
3. Muscles : 0,20 × 4,9 = 0,98 L/min au repos et 0,70 × 11,7 = 8,19 L/min en effort, soit environ 8,4 fois plus. Système digestif : 0,25 × 4,9 = 1,225 L/min au repos et 0,05 × 11,7 = 0,585 L/min en effort, soit une baisse d'environ 52 %. Le sang est donc redistribué vers les muscles, au détriment d'organes dont l'activité est moins urgente, et pas seulement augmenté partout.
4. Hypothèse nécessaire : les données ne donnent la teneur que pour le sang sortant d'un muscle (jambe en effort) ou des muscles au repos. On suppose que cette teneur est représentative de la moyenne du sang sortant de tous les muscles squelettiques et que le sang entrant en contient 20 mL pour 100 mL. Sans cette hypothèse, appliquer le débit de tous les muscles à la teneur d'un seul muscle ne serait pas valide. Au repos : 980 mL/min × (20 − 17) ÷ 100 = 29,4 mL/min. En effort : 8190 mL/min × (20 − 8) ÷ 100 ≈ 983 mL/min. Facteur : 983 ÷ 29,4 ≈ 33. Sous cette hypothèse, les muscles prélèvent environ 33 fois plus de O₂ par minute : c'est un ordre de grandeur, pas une mesure exacte.
5. Baisses successives : 25, 17, 12, 5 puis 1 battements par minute. La fréquence diminue d'abord vite, puis de plus en plus lentement, et retrouve la valeur de repos (70) au bout de 5 minutes.

Critères de réussite : formule débit = fréquence × volume, conversion mL en L correcte, unités notées à chaque résultat, interprétation de chaque calcul.

Exercice 3 : correction

1. Le sang qui entre dans le muscle contient environ 20 mL de O₂ pour 100 mL. Dans les capillaires, les cellules musculaires en prélèvent beaucoup en effort : 20 − 8 = 12 mL pour 100 mL, contre 3 mL au repos. Le sang qui ressort est donc beaucoup plus pauvre en O₂ que celui de l'aorte.
2. Premier ajustement, lié au cœur et à la répartition : le débit cardiaque passe de 4,9 à 11,7 L/min et la part reçue par les muscles passe de 20 à 70 %, donc leur débit est multiplié par 8,4. Second ajustement, lié à l'organe : chaque volume de sang cède en moyenne 12 mL de O₂ au lieu de 3 mL, sous l'hypothèse posée à l'exercice 2. La combinaison des deux explique le facteur 33.
3. L'affirmation est fausse. La teneur en O₂ dans l'aorte reste proche de 20 mL pour 100 mL, que le cœur batte lentement ou vite. Un cœur plus rapide augmente la quantité de sang envoyée par minute, donc la quantité totale de O₂ livrée aux organes, mais pas la richesse en O₂ de chaque millilitre de sang.
4. Limites : les données sont simplifiées et mesurées sur une seule personne, on ne peut pas généraliser à tous les individus ni à tous les types d'efforts ; les documents décrivent des valeurs associées à l'effort sans tester chaque facteur séparément ; la teneur mesurée dans une veine d'un muscle de la jambe est supposée représenter tous les muscles, et le Document 1 ne donne pas de valeur de repos de CO₂ pour ce même muscle, donc aucune comparaison de CO₂ entre repos et effort n'est possible. Protocole : chaque élève, assis et calme, compte ses pulsations au poignet pendant 30 secondes avec un chronomètre et multiplie par 2 ; il marche ensuite sur place 1 minute à allure légère, puis recompte immédiatement ; on note les valeurs dans un tableau, on calcule la moyenne de la classe, en précisant que l'élève qui ne souhaite pas participer à l'effort n'y est pas obligé.

Critères de réussite : distinguer la teneur en O₂ du débit de sang, mobiliser des valeurs chiffrées des deux documents, formuler des limites précises et un protocole avec mesure répétable.