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title: "L’effort et les besoins énergétiques du corps"
book: "Biologie du lycée"
subject: biology
language: fr
chapter: 7
exercises: 15
source: https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/7-leffort-et-les-besoins-energetiques-du-corps
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# Chapitre 7 — L’effort et les besoins énergétiques du corps

Une cycliste sur un vélo de laboratoire pédale contre un frein qui mesure sa puissance : $100\,\mathrm{W}$, puis $150\,\mathrm{W}$, puis $200\,\mathrm{W}$. Un masque sur son visage envoie chaque souffle à un analyseur. Les nombres à l’écran montent au rythme du frein : plus elle fournit de travail mécanique, plus elle consomme d’oxygène et plus elle rejette de dioxyde de carbone. Ses muscles font tourner à plein la respiration du [Chapitre 4](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#ch-g10-cell-metabolism), et l’analyseur en lit le bilan. Ce chapitre suit l’énergie de l’effort, de l’aliment qui la fournit à l’oxygène qui la libère.

## 7.1 L’énergie entre, le travail sort

**Définition 7.1 (Dépense énergétique).**

La *dépense énergétique* du corps, en joules, est l’énergie totale que ses [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) libèrent à partir de molécules organiques pendant une durée donnée. Divisée par la durée, c’est une *puissance métabolique*, en watts. Au repos, un adulte dépense environ $80\,\mathrm{W}$ — quelque $7000\,\mathrm{kJ}$ par jour — pour faire battre le cœur, faire travailler le cerveau, tenir la température à $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et garder les [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) en vie : c’est le *[métabolisme](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-metabolism) de base*. Toute activité s’y ajoute.

**Proposition 7.2 (Où va l’énergie).**

Un muscle au travail ne convertit qu’un quart environ de l’énergie qu’il libère en travail mécanique ; les trois autres quarts partent en chaleur. Fournir une puissance mécanique $P$ coûte donc au corps une puissance métabolique d’environ $4P$ au-dessus du repos : une cycliste à $100\,\mathrm{W}$ sur les pédales dépense quelque $400\,\mathrm{W}$ dans ses muscles, et son corps doit évacuer $300\,\mathrm{W}$ de chaleur — par la sueur, pour l’essentiel.

**Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎

**Exemple 7.3 (Budgets quotidiens).**

Un élève assis en cours, marchant jusqu’au lieu d’étude et dormant dépense environ $9000\,\mathrm{kJ}$ par jour ; une heure de football y ajoute quelque $2500\,\mathrm{kJ}$ ; une journée en montagne avec un sac, $15\,000\,\mathrm{kJ}$ en tout. Un cycliste sur une étape de montagne dépense $25\,000\,\mathrm{kJ}$, et ne peut pas manger assez dans la journée pour les couvrir. L’énergie vient des aliments ([Chapitre 1](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#ch-g10-chemistry-of-life)) : $17\,\mathrm{kJ}$ par gramme de [glucide](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) ou de [protéine](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families), $38\,\mathrm{kJ}$ par gramme de [lipide](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families).

## 7.2 La consommation d’oxygène mesure la dépense énergétique

**Proposition 7.4 (L’équivalent énergétique de l’oxygène).**

Puisque l’énergie de l’effort est libérée par la [respiration cellulaire](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#prop-g10-cell-metabolism-respiration), qui consomme de l’oxygène, la consommation d’oxygène du corps mesure sa [dépense énergétique](#def-g10-exercise-and-energy-expenditure) : chaque litre d’oxygène consommé correspond à environ $20\,\mathrm{kJ}$ libérés, quel que soit le mélange de glucose et de [lipides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) brûlé. Au repos, une personne consomme environ $0.25\,\mathrm{L}$ d’oxygène par minute ; à l’effort, la consommation monte proportionnellement à la puissance fournie, jusqu’à un plafond propre à chacun.

**Faits expérimentaux.** L’équation de la respiration du [Chapitre 4](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#ch-g10-cell-metabolism) donne $2870\,\mathrm{kJ}$ pour $6\,\mathrm{mol}$ d’oxygène, soit $478\,\mathrm{kJ}$ par mole, et une mole de gaz occupe environ $24\,\mathrm{L}$ : $20\,\mathrm{kJ}$ par litre. Pour les [lipides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families), le chiffre est $19.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{L}$, pour les [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) $21.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{L}$, si bien que le mélange ne change presque rien. Les mesures en chambre fermée, où la chaleur libérée par un sujet est recueillie directement, s’accordent au chiffre tiré de l’oxygène à quelques pour cent près. ∎

![Consommation d’oxygène d’un sujet pédalant à puissance croissante. La montée est linéaire — environ 12\, mL d’oxygène par minute et par watt — jusqu’à ce que la consommation atteigne son plafond, la V\! O_2max du sujet ; au-delà, le surcroît de puissance est fourni sans oxygène et ne peut pas durer.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-exercise-and-energy/fig-922374b671d2.svg)

*Consommation d’oxygène d’un sujet pédalant à puissance croissante. La montée est linéaire — environ $12\,\mathrm{mL}$ d’oxygène par minute et par watt — jusqu’à ce que la consommation atteigne son plafond, la $\dot V\!\mathrm{O_2}$max du sujet ; au-delà, le surcroît de puissance est fourni sans oxygène et ne peut pas durer.*

**Définition 7.5 (Consommation maximale d’oxygène).**

La *consommation maximale d’oxygène*, notée $\dot V\!\mathrm{O_2}$max, est le débit le plus élevé auquel le corps d’une personne peut prélever et utiliser l’oxygène, en litres par minute — ou, pour comparer des personnes de tailles différentes, en millilitres par minute et par kilogramme de masse corporelle. Elle fixe la plus grande puissance que la respiration seule peut soutenir. Valeurs typiques : $35\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme chez un adulte sédentaire, $50$ chez un élève entraîné, $80$ ou plus chez un champion d’endurance.

**Exemple 7.6 (Lire la courbe).**

Sur la figure, $100\,\mathrm{W}$ de pédalage coûtent $1.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ d’oxygène : $1.5 \times 20 = 30\,\mathrm{kJ}$ par minute, soit $500\,\mathrm{W}$ de puissance métabolique — les $100\,\mathrm{W}$ de travail plus $400\,\mathrm{W}$ de chaleur et de besoins de repos, conformément à la [Proposition 7.2](#prop-g10-exercise-and-energy-efficiency). Le plafond de $3.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ pour un sujet de $66\,\mathrm{kg}$ vaut $50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme.

![Mesurer la consommation d’oxygène à l’effort : chaque souffle passe par le masque jusqu’à un analyseur de gaz qui enregistre l’oxygène prélevé et le dioxyde de carbone rejeté, minute par minute, tandis que le tapis roulant fixe la puissance.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-exercise-and-energy/img-82078f29f741.jpg)

*Mesurer la consommation d’oxygène à l’effort : chaque souffle passe par le masque jusqu’à un analyseur de gaz qui enregistre l’oxygène prélevé et le dioxyde de carbone rejeté, minute par minute, tandis que le tapis roulant fixe la puissance.*

## 7.3 Les carburants du muscle

**Proposition 7.7 (Trois sources d’ATP).**

La contraction musculaire se paie en ATP, et la [cellule](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) n’en garde que pour quelques secondes. Il est renouvelé par trois voies, chacune avec sa vitesse et sa capacité propres :

- une petite réserve d’un composé phosphaté dans le muscle, qui reforme l’ATP instantanément mais dure une dizaine de secondes — le sprint ;
- la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation) lactique du glucose dans le [cytoplasme](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) , rapide mais dispendieuse, qui soutient un effort maximal une à deux minutes en produisant de l’acide lactique ;
- la [respiration cellulaire](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#prop-g10-cell-metabolism-respiration) dans les [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle) , plus lente à atteindre son plein régime mais de durée presque illimitée, qui brûle le glucose du sang, le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) du muscle et les acides gras des graisses du corps.

La part de chacune dépend de l’intensité et de la durée de l’effort.

**Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎

![Part approchée des trois sources d’ATP dans un effort maximal de durée donnée. Un 100 mètres tourne sur la réserve phosphatée ; un 400 mètres, largement sur la fermentation ; tout ce qui dépasse quelques minutes, sur la respiration.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-exercise-and-energy/fig-960f5b3309ae.svg)

*Part approchée des trois sources d’ATP dans un effort maximal de durée donnée. Un 100 mètres tourne sur la réserve phosphatée ; un 400 mètres, largement sur la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation) ; tout ce qui dépasse quelques minutes, sur la respiration.*

**Définition 7.8 (Glycogène).**

Le *glycogène* est la forme animale de réserve glucidique : une chaîne ramifiée d’unités de glucose, conservée en granules dans les [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) musculaires (environ $400\,\mathrm{g}$ chez un adulte) et dans le foie (environ $100\,\mathrm{g}$). Le glycogène musculaire alimente le muscle qui le stocke ; le glycogène du foie est dégradé en glucose libéré dans le sang, ce qui maintient la glycémie près de $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ pour le cerveau et les autres tissus. La graisse, stockée dans les [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) adipeuses, est la réserve bien plus vaste ([Chapitre 1](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#ch-g10-chemistry-of-life)), mais elle ne peut être brûlée que lentement et seulement avec de l’oxygène.

**Exemple 7.9 (Le mur du marathon).**

La course consomme environ $4\,\mathrm{kJ}$ par kilogramme de masse corporelle et par kilomètre ; un coureur de $70\,\mathrm{kg}$ dépense $280\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$, et un marathon coûte $11\,800\,\mathrm{kJ}$. Les réserves de [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) en détiennent environ $8500\,\mathrm{kJ}$. Si le coureur brûle son [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) trop vite, les réserves s’épuisent vers le trentième kilomètre ; les muscles doivent alors compter sur la graisse, qui fournit l’énergie à peine à la moitié du débit, et l’allure s’effondre — c’est « le mur ». Les coureurs entraînés brûlent une part plus grande de graisse dès le départ, et mangent des [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) en course.

![La chaîne énergétique de l’effort prolongé : des carburants venus des aliments et des réserves du corps, de l’oxygène venu de la respiration, de l’ATP fabriqué dans les mitochondries et dépensé pour la contraction — les trois quarts partant en chaleur.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-exercise-and-energy/fig-b93dde182f0e.svg)

*La chaîne énergétique de l’effort prolongé : des carburants venus des aliments et des réserves du corps, de l’oxygène venu de la respiration, de l’ATP fabriqué dans les [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle) et dépensé pour la contraction — les trois quarts partant en chaleur.*

## 7.4 Mesurer et raisonner

**Méthode 7.10 (Un calcul d’énergie à l’effort).**

1. À partir de l’oxygène : énergie ( $\mathrm{kJ}$ ) $=$ oxygène consommé ( $\mathrm{L}$ ) $\times 20$ . Retrancher la consommation de repos si la question demande le coût du seul effort.
2. À partir de la puissance mécanique : puissance métabolique $\approx 4 P$ ; énergie $=$ puissance $\times$ durée ( $1\,\mathrm{W}$ pendant $1\,\mathrm{s}$ fait $1\,\mathrm{J}$ ; $1\,\mathrm{kWh}$ $= 3600\,\mathrm{kJ}$ ).
3. À partir du carburant : masse brûlée $=$ énergie $/$ valeur énergétique ( $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ pour les [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) , $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ pour les [lipides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) ) ; le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) est stocké avec trois fois sa masse d’eau.
4. Vérifier les ordres de grandeur : une journée entière fait environ $10\,000\,\mathrm{kJ}$ ; une heure difficile, $2000\text{ to }3000\,\mathrm{kJ}$ ; un marathon, $12\,000\,\mathrm{kJ}$ .

**Exemple 7.11 (Une heure de vélo).**

Une heure à $150\,\mathrm{W}$ sur les pédales : puissance métabolique d’environ $600\,\mathrm{W}$, énergie $600 \times 3600 = 2.16 \times 10^{6}\,\mathrm{J} \approx
2200\,\mathrm{kJ}$ ; oxygène $2200/20 = 110\,\mathrm{L}$, soit $1.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — en accord avec la courbe. Si la moitié vient des [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) : $1100/17 \approx 65\,\mathrm{g}$ de glucose ou de [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen), et $1100/38 \approx 29\,\mathrm{g}$ de graisse.

**Remarque 7.12 (Pourquoi l’oxygène doit arriver).**

Tout ce qui précède suppose que l’oxygène parvient aux [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle) aussi vite qu’elles peuvent l’utiliser. C’est le rôle des poumons, du cœur et du sang, dont la réponse à l’effort — respiration plus rapide, battements plus rapides et plus forts, sang redirigé vers les muscles — fait l’objet du [Chapitre 8](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/8-le-cur-et-les-poumons-a-leffort#ch-g10-heart-lungs-effort). La $\dot V\!\mathrm{O_2}$max est surtout une limite de livraison, non d’appétit des muscles.

## 7.5 Exercices

**Exercice 7.1 ★.**

Définir le [métabolisme](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-metabolism) de base et donner son ordre de grandeur en watts et en kilojoules par jour.

**Solution de Exercice 7.1.**

L’énergie dépensée au repos complet pour garder le corps en vie — cœur, cerveau, température, entretien des [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) : environ $80\,\mathrm{W}$, soit quelque $7000\,\mathrm{kJ}$ par jour.

**Exercice 7.2 ★.**

Un sujet consomme $2.0\,\mathrm{L}$ d’oxygène par minute. Quelle est sa [dépense énergétique](#def-g10-exercise-and-energy-expenditure) en kilojoules par minute, et en watts ?

**Solution de Exercice 7.2.**

$2.0 \times 20 = 40\,\mathrm{kJ}$ par minute, soit $40000/60 \approx
670\,\mathrm{W}$.

**Exercice 7.3 ★.**

Nommer les trois voies par lesquelles un muscle renouvelle son ATP et donner la durée typique que chacune peut soutenir à elle seule.

**Solution de Exercice 7.3.**

La réserve phosphatée du muscle (une dizaine de secondes) ; la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation) lactique (une à deux minutes d’effort maximal) ; la [respiration cellulaire](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#prop-g10-cell-metabolism-respiration) (des heures).

**Exercice 7.4 ★.**

Qu’est-ce que la $\dot V\!\mathrm{O_2}$max ? Convertir $3.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ pour un sujet de $70\,\mathrm{kg}$ en millilitres par minute et par kilogramme.

**Solution de Exercice 7.4.**

Le débit le plus élevé auquel le corps peut prélever et utiliser l’oxygène. $3500/70 = 50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme.

**Exercice 7.5 ★.**

Où le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) est-il stocké, en quelles quantités, et à quoi sert chaque réserve ?

**Solution de Exercice 7.5.**

Dans les muscles, environ $400\,\mathrm{g}$, pour alimenter le muscle qui le stocke ; dans le foie, environ $100\,\mathrm{g}$, libéré sous forme de glucose dans le sang pour le cerveau et les autres tissus.

**Exercice 7.6 ★★.**

Sur la figure oxygène–puissance, lire la consommation d’oxygène à $200\,\mathrm{W}$ et calculer la puissance métabolique. En déduire la chaleur produite par seconde.

**Solution de Exercice 7.6.**

$2.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : $2.7 \times 20 = 54\,\mathrm{kJ}$ par minute, soit $900\,\mathrm{W}$. Chaleur : $900 - 200 = 700\,\mathrm{W}$.

**Exercice 7.7 ★★.**

Une randonneuse de $60\,\mathrm{kg}$ monte de $800\,\mathrm{m}$ en deux heures. Calculer le travail mécanique contre la pesanteur ($g = 9.8\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}$), l’énergie dépensée par ses muscles si le rendement est de 25 %, et la puissance métabolique moyenne au-dessus du repos.

**Solution de Exercice 7.7.**

Travail $mgh = 60 \times 9.8 \times 800 \approx 470\,\mathrm{kJ}$. À 25 % de rendement, les muscles ont dépensé environ $1900\,\mathrm{kJ}$. Sur $7200\,\mathrm{s}$ : environ $260\,\mathrm{W}$ au-dessus du repos.

**Exercice 7.8 ★★.**

À l’aide de la figure en barres empilées, expliquer pourquoi un coureur de 400 mètres est essoufflé et endolori à l’arrivée alors qu’un sprinteur de 100 mètres souffle à peine.

**Solution de Exercice 7.8.**

Un 100 mètres tourne presque entièrement sur la réserve phosphatée : pas de dette d’oxygène, peu d’acide lactique. Un 400 mètres dure environ une minute et tire la moitié de son énergie de la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation) lactique : l’acide lactique s’accumule (la douleur) et la respiration qui doit l’éliminer laisse le coureur haletant plusieurs minutes après.

**Exercice 7.9 ★★.**

Une athlète dépense $3000\,\mathrm{kJ}$ au cours d’une séance d’entraînement, dont 60 % venant des [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families). Quelle masse de [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) a-t-elle utilisée, et quelle masse d’eau a été libérée avec lui ?

**Solution de Exercice 7.9.**

Énergie glucidique $0.6 \times 3000 = 1800\,\mathrm{kJ}$ ; [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) $1800/17 \approx 106\,\mathrm{g}$ ; eau libérée environ $320\,\mathrm{g}$.

**Exercice 7.10 ★★.**

Une tablette de chocolat de $50\,\mathrm{g}$ fournit $1100\,\mathrm{kJ}$. Pendant combien de temps ferait-elle avancer un cycliste pédalant à $150\,\mathrm{W}$ ?

**Solution de Exercice 7.10.**

Puissance métabolique d’environ $600\,\mathrm{W}$ : $1.1 \times 10^{6}/600 \approx
1830\,\mathrm{s}$, soit environ 30 minutes.

**Exercice 7.11 ★★.**

Pourquoi la température du corps monte-t-elle à l’effort, et par quel mécanisme l’empêche-t-on de monter davantage ?

**Solution de Exercice 7.11.**

Les trois quarts de l’énergie libérée dans les muscles sont de la chaleur, soit plusieurs centaines de watts à l’effort intense. La sueur l’évacue : évaporer de l’eau demande environ $2.4\,\mathrm{kJ}$ par gramme, et le débit sanguin vers la peau y porte la chaleur. Sans sueur, la température du corps monterait d’un degré toutes les quelques minutes.

**Exercice 7.12 ★★★.**

Deux sujets de $60\,\mathrm{kg}$ et $90\,\mathrm{kg}$ ont tous deux une $\dot V\!\mathrm{O_2}$max de $3.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. Lequel peut courir le plus vite en montée, et lequel peut pédaler le plus fort à plat sur un vélo de laboratoire ? Expliquer.

**Solution de Exercice 7.12.**

En montée, la puissance nécessaire est proportionnelle à la masse corporelle : le sujet de $60\,\mathrm{kg}$ dispose de $60\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme contre $40$, et il monte plus vite. Sur le vélo de laboratoire, la puissance ne dépend pas de la masse, tous deux ont les mêmes $3.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$, et tous deux peuvent soutenir les mêmes watts.

**Exercice 7.13 ★★★.**

La consommation d’oxygène d’un coureur pendant une course est de $3.0\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ à une allure qui, d’après la courbe, exigerait $3.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. D’où vient la différence, et que ressentira le coureur après quelques minutes ?

**Solution de Exercice 7.13.**

Les $0.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ d’équivalent oxygène qui manquent sont fournis par la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation) lactique dans les muscles. L’acide lactique s’accumule ; en quelques minutes, les muscles brûlent et le coureur est contraint de ralentir jusqu’à une allure que la respiration seule peut couvrir.

**Exercice 7.14 ★★★.**

Expliquer, à l’aide des trois voies de renouvellement de l’ATP, pourquoi on ne perd pas de graisse aussi efficacement en s’exerçant à intensité maximale par courtes salves qu’en s’exerçant modérément longtemps.

**Solution de Exercice 7.14.**

Les salves maximales courtes tournent sur la réserve phosphatée et la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation), qui n’utilisent aucune graisse ; la graisse n’est brûlée que par la respiration, qui met des minutes à atteindre son plein régime et ne domine que dans l’effort modéré prolongé. L’énergie totale de quelques salves est d’ailleurs faible devant celle d’une heure d’effort régulier.

**Exercice 7.15 ★★★.**

Une cycliste sur une étape de montagne dépense $25\,000\,\mathrm{kJ}$ dans la journée. Son [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) en détient $8500\,\mathrm{kJ}$ et elle mange $6000\,\mathrm{kJ}$ pendant l’étape. Estimer la masse de graisse corporelle qu’elle brûle, et expliquer pourquoi les coureurs mangent sans cesse sur une telle étape.

**Solution de Exercice 7.15.**

Déficit $25000 - 8500 - 6000 = 10\,500\,\mathrm{kJ}$, soit environ $280\,\mathrm{g}$ de graisse. Manger pendant l’étape maintient la glycémie pour le cerveau et épargne le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) pour les cols, où la puissance nécessaire dépasse de loin ce que la graisse seule peut fournir ; la graisse couvre la partie régulière de la journée.

## 7.6 Problème : où se dresse le mur

**Problème 7.1.**

Problème du week-end — le bilan énergétique d’un marathon : l’oxygène que la coureuse respire, le glycogène qu’elle porte, le kilomètre où il s’épuise, et ce que change l’entraînement

Nadia, $60\,\mathrm{kg}$, court un marathon ($42.2\,\mathrm{km}$) en $3\,\mathrm{h}$ $30\,\mathrm{min}$. La course coûte $4.0\,\mathrm{kJ}$ par kilogramme et par kilomètre. Ses muscles détiennent $300\,\mathrm{g}$ de [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) et son foie $80\,\mathrm{g}$ ; le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) et le glucose donnent $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$, la graisse $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; un litre d’oxygène libère $20\,\mathrm{kJ}$. Sa $\dot V\!\mathrm{O_2}$max vaut $52\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme.

**Partie I — Le coût de la course.**

1. Calculer le coût énergétique du marathon pour Nadia.
2. Calculer sa puissance métabolique moyenne pendant la course, en watts.
3. Calculer le volume d’oxygène qu’elle consomme sur la course, puis sa consommation d’oxygène moyenne en litres par minute.
4. Exprimer cette consommation en millilitres par minute et par kilogramme, et en pourcentage de sa $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max.
5. Sa consommation de repos vaut $0.2\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ . Quelle fraction de sa consommation du jour de course la course elle-même représente-t-elle ?

**Partie II — Les réserves.**

6. Calculer l’énergie détenue dans ses réserves de [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) .
7. Si elle ne brûlait que du [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) , à quel kilomètre les réserves s’épuiseraient-elles ?
8. En réalité, elle brûle un mélange : 80 % de [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) , 20 % de graisse à son allure de course. À quel kilomètre le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) s’épuise-t-il alors ?
9. Quelle masse de graisse brûle-t-elle dans la course ? Comparer aux $9\,\mathrm{kg}$ de graisse que porte habituellement une femme de $60\,\mathrm{kg}$ .
10. Expliquer, à partir de la [Proposition 7.7](#prop-g10-exercise-and-energy-fuels) , pourquoi elle ne peut pas simplement brûler de la graisse seule une fois le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) épuisé et garder la même allure.

**Partie III — Battre le mur.**

11. Pendant la course, elle boit une solution sucrée qui fournit $60\,\mathrm{g}$ de [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) par heure. Quelle énergie cela ajoute-t-il sur la course, et combien de kilomètres de consommation glucidique cela couvre-t-il ?
12. Refaire la question 8 avec la boisson. Finit-elle désormais avant que le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) ne s’épuise ?
13. Trois jours avant la course, elle fait une « surcharge » glucidique et porte son [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) musculaire à $500\,\mathrm{g}$ . Chaque gramme est stocké avec $3\,\mathrm{g}$ d’eau. De combien sa masse augmente-t-elle, et ce que cela coûte en énergie par kilomètre ?
14. L’entraînement fait passer son mélange d’allure de course à 55 % de [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) et 45 % de graisse. Avec la surcharge et la boisson, à quel kilomètre le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) s’épuiserait-il ? Commenter.
15. Pourquoi le cerveau, qui n’utilise que du glucose, fait-il ressentir l’épuisement du [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) comme une fatigue extrême, alors que les muscles ont encore de la graisse à brûler ?

**Partie IV — Les chiffres d’un champion.** Un coureur de haut niveau de $55\,\mathrm{kg}$ court le marathon en $2\,\mathrm{h}$ $05\,\mathrm{min}$, avec un coût de course de $3.6\,\mathrm{kJ}$ par kilogramme et par kilomètre et une $\dot V\!\mathrm{O_2}$max de $80\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme.

16. Calculer le coût énergétique de la course pour le champion et sa consommation d’oxygène moyenne en litres par minute.
17. Quel pourcentage de sa $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max soutient-il ? Comparer au chiffre de Nadia.
18. Deux choses distinguent le champion : un plafond plus haut et un coût par kilomètre plus bas. Laquelle des deux est l’« économie de course » ? Calculer de combien la seule différence de coût change l’énergie de la course pour un coureur de $55\,\mathrm{kg}$ .
19. Ses muscles détiennent $500\,\mathrm{g}$ de [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) après surcharge. À 70 % de consommation glucidique, atteint-il l’arrivée avec cela sans boire ?
20. Énoncer le résultat : pour Nadia, le kilomètre où le mur se dresse sans préparation, et les trois mesures qui le repoussent au-delà de la ligne d’arrivée.

**Solution de Problème 7.1.**

**1.** $4.0 \times 60 \times 42.2 \approx 10\,100\,\mathrm{kJ}$.

**2.** $3\,\mathrm{h}\,30\,\mathrm{min} = 12\,600\,\mathrm{s}$ : $1.01 \times 10^{7}/12600 \approx 800\,\mathrm{W}$.

**3.** $10100/20 \approx 506\,\mathrm{L}$ ; sur $210\,\mathrm{min}$, environ $2.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$.

**4.** $2400/60 = 40\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme, soit $40/52
\approx 77\%$ de son maximum.

**5.** $(2.4 - 0.2)/2.4 \approx 92\%$.

**6.** $380 \times 17 = 6460\,\mathrm{kJ}$.

**7.** La course coûte $240\,\mathrm{kJ}$ par kilomètre : $6460/240
\approx 27\,\mathrm{km}$.

**8.** Consommation glucidique $0.8 \times 240 = 192\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ : $6460/192 \approx 34\,\mathrm{km}$ — le mur.

**9.** Énergie de la graisse $0.2 \times 10100 \approx 2020\,\mathrm{kJ}$, soit $2020/38 \approx 53\,\mathrm{g}$ : environ 0.6 % de ses $9\,\mathrm{kg}$.

**10.** La graisse n’est brûlée que par la respiration et à débit limité : elle peut fournir en gros la moitié de la puissance qu’exige son allure. Sans [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen), les muscles ne peuvent pas fabriquer l’ATP assez vite, et l’allure tombe.

**11.** $60 \times 3.5 = 210\,\mathrm{g}$, soit $210 \times 17 \approx
3570\,\mathrm{kJ}$, ce qui couvre $3570/192 \approx 19\,\mathrm{km}$ de consommation glucidique.

**12.** [Glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) disponibles $6460 + 3570 = 10\,030\,\mathrm{kJ}$ : $10030/192 \approx 52\,\mathrm{km}$, au-delà de l’arrivée. Oui.

**13.** $+200\,\mathrm{g}$ de [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) $+ 600\,\mathrm{g}$ d’eau : $0.8\,\mathrm{kg}$, ce qui coûte $0.8 \times 4.0 \approx 3\,\mathrm{kJ}$ de plus par kilomètre — négligeable devant 240.

**14.** [Glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) $580 \times 17 = 9860\,\mathrm{kJ}$ plus la boisson : environ $13\,400\,\mathrm{kJ}$ ; consommation glucidique $0.55 \times 240 =
132\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ : plus de $100\,\mathrm{km}$. Le mur s’est déplacé bien au-delà de l’arrivée, avec une large marge.

**15.** Le cerveau ne brûle que du glucose, fourni par le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) du foie. Quand cette réserve est vide, la glycémie tombe, et le cerveau signale l’urgence par des vertiges et une fatigue écrasante, quoi que les muscles détiennent encore.

**16.** $3.6 \times 55 \times 42.2 \approx 8360\,\mathrm{kJ}$ ; $8360/20 = 418\,\mathrm{L}$ sur $125\,\mathrm{min}$ : environ $3.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$.

**17.** $3340/55 \approx 61\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme, soit $61/80 \approx 76\%$ — la même fraction que Nadia. C’est le plafond qui diffère, non la fraction utilisée.

**18.** L’économie de course est le coût par kilogramme et par kilomètre. Pour un coureur de $55\,\mathrm{kg}$, $(4.0 - 3.6) \times 55 \times 42.2 \approx
930\,\mathrm{kJ}$ épargnés sur la course, environ 9 %.

**19.** [Glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) $8500\,\mathrm{kJ}$ ; [glucides](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) nécessaires $0.7 \times
8360 \approx 5850\,\mathrm{kJ}$ : oui, les réserves suffisent sans boire.

**20.** Sans préparation, le [glycogène](#def-g10-exercise-and-energy-glycogen) de Nadia s’épuise vers le kilomètre 34 ; la surcharge glucidique avant la course, la boisson glucidique pendant, et un entraînement qui élève la part de graisse brûlée repoussent chacun le mur au-delà de la ligne d’arrivée.