Filière aérobie, VO2 Max, PMA, VMA, Endurance maximale aérobie (EMA). Entrainement de la filière aérobie.

Cet article est dédié à:
- Bernard Faure:
Ex champion de course à pied, parfait connaisseur de la filière aérobie, originaire du Périgord, le pays du bien vivre, mais aussi on ne le sait pas assez, grand pays de Rugby. Marathonien, champion de France de la discipline au début des années 80, son record sur cette distance est de 2h 12, ce qui, plus qu'un long discours, en dit long sur ses qualités aérobies et son mental. J'ai adoré la période ou il commentait l'Athlétisme sur France télévision et le fait d'avoir refusé de commenter les Jeux Olympiques de Pékin, capitale de ce pays dont le régime oppresse le peuple Tibétain, en dit long aussi sur sa personnalité.
- au Pr Jean René Lacour:
Sans doute l'un des plus éminent physiologiste de l'exercice musculaire. Il a traduit et fait connaître la bible des médecins du sport des Prs Astrand et Rodall "Physiologie de l'exercice musculaire", organisé à St Etienne en Juillet 1976, un congrès mémorable sur "les facteurs limitants de l'endurance humaine" avec la présence des meilleurs physiologistes de l'exercice physique de la planète et sa pratique du marathon a donné encore plus de sens aux données scientifiques. Il avait eu la gentillesse de me recevoir dans son laboratoire de Physiologie de la faculté de médecine de St Etienne par une belle matinée d'été 1978 et de m'éclairer sur certains points de la filière aérobie. Les lignes développées ci-dessous sont tirées de son enseignement.
LA FILIERE AEROBIE
La filière aérobie est celle des efforts de longue durée et il ne faut surtout pas croire que cette filière n'est réservée qu'aux sportifs d'endurance. Elle convient à tous, non sportifs pour leur santé cardio-vasculaire et sportifs de toutes disciplines (y compris mes chers Lanceurs en Athlétisme), vingt minutes au moins en continu est la durée nécessaire et suffisante pour avoir un impact sur le système cardio-respiratoire du transport de l'Oxygène et constitue un excellent échauffement général en début d'entraînement et un non moins excellent moyen d'oxygéner un organisme fatigué en fin d'entraînement ou de match. Physiologiquement cette filière met en jeu les fibres musculaires de type I à contraction lente et IIA à contraction rapide et résistantes à la fatigue. Elle correspond au processus de régénération de l’ATP (molécule chimique riche en énergie) à partir de la dégradation complète des glucides (cycle de Krebs), des lipides (béta oxydation des Acides Gras Libres) et même des Acides Aminés pour les performances de longue durée > 3 heures.

I - L'oxygène (O2)

L'oxygène (O2) est une molécule chimique déterminante dans l'activité musculaire.

Sa présence ou son absence dans la cellule musculaire au moment de l'activité physique va conditionner le déroulement de la réaction chimique productrice d'énergie.

- en présence d'O2 (en aérobiose) le bilan énergétique provenant de la dégradation d'une molécule gramme de glucose (soit 180 grammes), carburant de toute cellule animale ou végétale et mis en réserve dans le foie et les muscles chez l'homme est de 38 ATP, soit 400 000 calories.

- en absence d'O2 (en anaéorobiose) le bilan énergétique provenant de la dégradation d'une molécule gramme de glucose est de 2 ATP. En anaérobiose la cellule musculaire a donc besoin de 19 fois plus de glucose pour produire la même quantité d'énergie et le même travail musculaire (rendement en anaérobiose 19 fois inférieur). Cet oxygène prélevé au niveau atmosphérique est acheminé jusqu'au muscle par une chaîne dite de " transport de l'oxygène"; la resynthèse en plus ou moins grande quantité de cet ATP au sein de la cellule musculaire va dépendre de la présence ou non de cet oxygène.

II - Les fibres musculaires de la filière aérobie

Sur le plan histologique (tissulaire), les muscles striés squelettiques présentent 2 types de fibres musculaires qui se différencient par leur vitesse de contraction, étroitement corrélée à la vitesse d'hydrolyse de l'ATP, leur coloration et leur résistance à la fatigue.

- les fibres de Type I ou fibres ST à contraction lente sont résistantes à la fatigue et fortement colorées car riches en pigment musculaire, la Myoglobine qui va fixer l'O2, et en Mitochondries (petite usine à dégrader le Glucose). A fort potentiel oxydatif elles sont capables d'utiliser comme carburant, le glucose, les lipides et même certains acides aminés dans les efforts de très longue durée. Leur puissance mécanique est faible. Elles abondent dans le système musculaire des individus génétiquement doués pour les activités d'endurance.

- les fibres de Type II ou fibres FT à contraction rapide sont moins colorées que les fibres de type I, leur potentiel oxydatif est faible avec peu de Myoglobine et de Mitochondries, par contre leur sarcoplasme (cytoplasme de la cellule musculaire) est riche en enzymes qui leur permettront d'utiliser en anéorobiose le glucose comme carburant (potentiel Anaérobie). Leur puissance est élevée. Ce type de fibre II abonde chez les individus doués génétiquement  pour les activités de vitesse et de détente. 

Le classement en 2 sous groupes FTA et FTB est fonction de la résistance des fibres musculaires à la fatigue. Le premier sous groupe, les fibres FTA ou IIA sont des fibres rapides-résistantes, capables d'assurer un métabolisme oxydatif important si elles sont sollicitées par des efforts d'endurance. Le deuxième sous groupe, les fibres FTB ou IIB sont des fibres rapides fatigables dont le métabolisme est essentiellement anaérobie. 

A retenir: l'entraînement en endurance va augmenter le potentiel oxydatif des fibres FTA à contraction rapides-résistantes, le potentiel oxydatif global des fibres I + IIA (ST + FTA) va alors devenir important si bien que tout sujet entraîné et doué génétiquement aura des valeurs de VO2 Max élevées.

NB: un troisième type de fibre super-rapides a été décrit

chez des étoiles du sprint (Colin Jackson où le sprinter fauve) avec la participation du coach d'athlétisme : PJ Vazel.

Ce troisième type de fibres (fibres II X), on les rencontre chez les sprinters, les astronautes et les grands paralysés. C'est une découverte que nous devons au docteur Scott Trappe, directeur du laboratoire de performance humaine à l’université d’Etat de Ball (Indiana) et chercheur pour la NASA, qui a analysé un prélèvement de la cuisse de Colin Jackson, détenteur du record du monde du 60 m haies (7 s 30). Son étude « Skeletal Muscle Signature of a Champion Sprint Runner », tout juste publiée dans le Journal of Applied Physiology, décrit pour la première fois dans une revue scientifique la composition des fibres musculaires d’un sprinteur de classe mondiale.

Colin Jackson est double champion du monde du 110 m haies, dont il détient toujours le record d’Europe depuis 1993), mais aussi sprinteur : champion d’Europe du 60 m en salle avec 6 s 49, un temps qui le situe à un dixième seulement du record du monde actuel. Il a fallu deux ans pour finaliser l’analyse d'une biopsie musculaire de Colin pour conclure qu'il possède une quantité de fibres « super-rapides » observée seulement chez des sujets atteints de traumatisme de la moelle épinière et d’une puissance comparable à celle du lion et du caracal. « Les exemples dans le monde animal sont plus en lien avec nos résultats pour cet athlète et donnent davantage de sens à ces mesures. »

Autrefois, les analyses se fondaient sur la couleur des fibres: muscles blancs et rouges . Aujourd’hui, les fibres sont classées selon leur vitesse de contraction et il existe un véritable continuum entre les plus lentes (type I) et les plus rapides (type IIx) en passant par tous les intermédiaires. Leur répartition varie d’un individu à l’autre et selon la fonction des muscles : le soléaire, qui permet de stabiliser la jambe ne contient environ que 10 % de fibres rapides, tandis que le muscle orbiculaire, qui fait cligner les yeux en a 90. Chez les sportifs, les biopsies sont généralement pratiquées dans le vaste externe de la cuisse. La proportion de fibres lentes et rapides y est pratiquement égale chez les humains, ce qui permet de distinguer les athlètes plutôt endurants et ceux plutôt explosifs.

En ce qui concerne Colin Jackson, pas ambiguïté : dans le continuum que compose l’ensemble des fibres musculaires de son vaste externe, l’équipe du docteur Trappe n’a compté que 29 % de fibres lentes (I), et surtout 32,5 % de fibres rapides pures (IIx) et selon le docteur Trappe, au regard des données de Colin Jackson, « il apparaît que le profil de type de fibres et la puissance générée par les fibres rapides fournissent une base solide pour suggérer que ces caractéristiques expliquent en bonne partie les succès en sprint accomplis par cet individu. »

En ce qui concerne les astronautes de la Station spatiale internationale suivis par le docteur Trappe, l’entraînement joue un rôle essentiel dans la prévention d’une transition encore plus grande des fibres lentes à rapides et dans le dysfonctionnement moteur qui s’ensuit, car leur mission ne demande pas vraiment les qualités musculaires d’un sprinteur d’élite « Avec la NASA, nous travaillons maintenant sur de nouveaux programmes d’entraînement qui incorporent davantage d’exercices de haute intensité, avec l’espoir que ce sera plus efficace pour préserver la santé et les performances des muscles des astronautes lorsqu’ils sont dans l’espace. »

III - L'ATP 

En biologie cellulaire, l'ATP (adénosine tri-phosphate) a une importance fondamentale dans le domaine des échanges d'énergie.

Les muscles qui travaillent, ne pouvant pas extraire l'énergie utile à leur contraction directement à partir des aliments, ont besoin d'un intermédiaire entre l'énergie libérée par les aliments et l'énergie nécessaire à la contraction musculaire; cet élément intermédiaire est un composé phosphoré riche en énergie: l'ATP = adénosine tri-phosphate dont la rupture (hydrolyse) par une enzyme l'ATPase libère l'énergie directement utilisable par la cellule musculaire pour sa mise en tension. Cette molécule chimique d'ATP en se combinant aux 2 protéines contractiles musculaires d'Actine et de Myosine va libérer l'énergie nécessaire à cette contraction. L'ATP est donc l'élément indispensable à la contraction musculaire pour que l'activité musculaire puisse se poursuivre et constitue une sorte de réservoir d'énergie cellulaire dans lequel la cellule musculaire puise pour réaliser l'ensemble de ses activités. Comme cet ATP n'existe dans la cellule musculaire qu'en très faible quantité et ne permet de réaliser que des exercices brefs, il est nécessaire que ce réservoir se remplisse au fur et à mesure qu'il se vide afin de permettre à la contraction musculaire de se poursuivre. Ce remplissage du réservoir en ATP va se faire par l'intermédiaire des trois filières énergétiques . 

IV - Les trois filières de resynthèse de l'ATP 
3 filières  interviennent pour assurer en permanence la resynthèse de l'ATP : 

1 - la filière anaérobie alactique (sans production d'acide lactique) pour les efforts brefs de quelques secondes (sprint court); elle utilise la Créatine-Phosphate ou ATP-PC qui est la forme de réserve de l'ATP; son débit couvre à peine 10 " d'effort.

2 - la filère anaérobie lactique dégrade le glucose avec production d'acide lactique qui sera converti en lactates et ion H+ pour des efforts jusqu'à la minute.

3 - la filière aérobie pour les efforts d'endurance, met en jeu la glycolyse aérobie, la béta oxydation des acides gras et certains acides aminés pour des efforts de très longue durée. 

V - Les carburants de la filière aérobie

Le glucose tiré du glycogène musculaire et hépatique à partir de la glycolyse aérobie est le carburant le plus noble utilisé par la filière aérobie, mais seulement disponible pour des efforts qui n'excèdent pas 2 heures de temps. 

Glycolyse aérobie

Au delà de deux heures de temps, les muscles au travail doivent puiser dans un autre type de carburant, les lipides ou graisses dont les réserves sont elles, sans limites.  La source de ces lipides est constituée par:
- les triglycérides stockés dans le muscle et métabolisés en premier lieu
- les triglycérides circulants qui vont subir une hydrolisation par les lipases (enzymes lipolytiques)
- surtout par les réserves lipidiques contenues dans les adipocytes (cellules du tissu graisseux).

Le pourcentage de l'énergie fournie par l'oxydation des lipides augmente en fonction de la durée de l'effort:

- 10% pour un effort de 30 minutes

- 30%  pour 2 heures

- > 60 % au-delà de 3 h 30. 

Retenir que la capacité de mobilisation et d'utilisation des graisses par la béta oxydation des acides gras libres (AGL) est essentielle dans un effort de longue durée. Il est est donc important qu'un sportif spécialisé sur les longues distances s'entraîne en début de saison sportive à allure modérée afin d'obliger son organisme à mobiliser préférentiellement la filière des lipides ce qui lui permettra en période de compétition de solliciter de manière optimale la glycolyse aérobie. 
Pour les efforts aérobies de très longue durée, les muscles au travail vont même puiser dans un troisième type de carburant fourni par certains acides aminés dits branchés (Leucine, Isoleucine, Valine) qui sont directement oxydés dans le muscle, la mobilisation du pool total des acides aminés intramusculaires contribuant lors d'exercices prolongés au maintien de la glycémie par le biais de la néo-glucogenèse hépatique. Ces 3 acides aminés branchés doivent impérativement être apportés chaque jour par l'alimentation. Ils stimulent la synthèse protéique et favorisent l'entretien et la réparation des muscles lésés par l'effort. 

Les réserves de la filière aérobie: la filière aérobie O2 (filière O2) utilise majoritairement comme carburant les sucres et les graisses (glycogène et acides gras); elle est inépuisable quand elle utilise comme carburant les graisses. 

Substrats énergétiques	Tissus	Énergie (Kcal)	Poids (g)
Triglycérides	Tissu adipeux blanc	108 000	12 000
Glycogène	Foie	200	70
	Muscles	400	120
Glucose	Liquides circulants	80	20
Protéines	Muscles	25 000	6 000

Réserves énergétiques chez un sujet de 70 kg

Réserves en sucres  

les réserves en hydrates de carbone sont celles qui sont le plus rapidement utilisées lors de l'exercice musculaire. Elles sont stockées essentiellement sous forme de glycogène. Pour un adulte de 70 kg, les réserves glycogéniques totales représentent au repos environ 600 gr à 1000 gr selon l'état nutritionnel, soit de 2400 à 4000 kcal mobilisables dont 30% sont stockées dans le foie et 70% dans le muscle. Seules les réserves de glycogène hépatiques participent à la production du glucose sanguin, le glycogène musculaire lui, est strictement métabolisé in situ.

Réserves en graisses (lipides)

Elles représentent 16 kg de triglycérides et acides gras soit 140.000 kcal de réserve énergétique.

Réserves protidiques
Les réserves en protéines sont principalement musculaires, représentant un total de 41.000 kcal; elles sont faiblement utilisées lors de la contraction musculaire, exceptés les 3 acides aminés branchés parce que directement oxydés dans le muscle. 

Championne toute catégorie de la production d'énergie cette filière Aérobie a toutefois un inconvénient, sa grande inertie, le débit maximal n'étant obtenu qu'après plusieurs minutes d'effort.

VI - Le mythe du Lactate comme facteur limitant, a vécu.
Depuis les années 80, les lactates ne peuvent plus être considérés comme un poison musculaire et l'ennemi du sportif. Leur présence dans le sang et les muscles au travail est considérée comme un témoin de l'intensité de l'effort et tout indique que de nombreux aspects de la production de lactates sont bénéfiques pour les performances athlétiques. Ils  sont utilisés comme carburant par le tissu cardiaque et les muscles périphériques par dégradation de l'Acide lactique en lactate + ion H+. 

VII - Autres facteurs limitants

1 - l'épuisement des réserves de glycogène musculaire et hépatique
Dans une épreuve de longue durée, le facteur limitant est l’épuisement des réserves glycogéniques des muscles au travail qui survient entre 90 et 120 min à 75% du VO2max. Cet épuisement du glycogène musculaire est responsable d’une tétanie locale des muscles qui travaillent.

Rôle du glycogène hépatique : 

Dans un effort de longue durée, du glucose en provenance du glycogène hépatique est libéré progressivement et si l'effort est intense, le débit du glucose libéré peut être de 4 à 5 fois supérieur au débit de repos grâce à deux voies métaboliques contribuant à la production de glucose hépatique : 

- la glycogénolyse en début d'exercice. 

- la néoglucogenèse quand l'exercice se prolonge et avant l'épuisement du glycogène hépatique; cette néoglucogenèse assure même la presque totalité de la production de glucose lorsque l'exercice physique dépasse 3 ou 4 heures. Vingt grammes de glycogène sont utilisés par kilogramme de foie lors d'un exercice à 70 % du VO2 max. Cela conduit à l'épuisement du glycogène hépatique en deux heures. Des lors, la stimulation progressive de la néoglucogenèse représente la seule possibilité de maintenir la production de glucose. Cette néoglucogenèse s'effectue à partir du lactate, de l'alanine et du glycérol. 

2 - L'hypoglycémie relative

Lors d'un effort prolongé, il y a déséquilibre entre la capacité maximale de la néoglucogénèse et la consommation par les muscles de glucose, ce qui entraîne une baisse modérée de la glycémie mais parfois une hypoglycémie nette. Cela indique que la diminution importante du glycogène hépatique, de par ses conséquences sur la glycémie, serait le principal facteur de l'épuisement. Ceci peut être modulé en fonction de l'intensité de l'exercice, l'épuisement du glycogène musculaire étant certainement un facteur limitant de la poursuite de l'exercice au-dessus de 70 % du VO2 max. Pour des exercices de faible intensité et de très longue durée (course de 100 km, triathlon long, marche de fond...),  le débit de la néoglucogenèse compense la consommation musculaire de glucose. 
VO2 MAX

La seule valeur qui permette d'apprécier la filière Aérobie est la mesure de la consommation maximale d'O2 ou VO2 Max ou Capacité Aérobie. On peut définir VO2 Max comme le débit maximal d'O2 de la filière aérobie utilisée par les mitochondries de la fibre musculaire afin de permettre à la contraction musculaire de se poursuivre grâce au renouvellement des molécules d'ATP.
Dans les 1 ères minutes d'un exercice de longue durée d'intensité modérée, la filière va utiliser l'O2 stocké dans le muscle et lié à la Myoglobine (équivalent de l'hémoglobine des globules rouges du sang), mais aussi l'O2 stocké dans le sang qui perfuse ces muscles. Ensuite, c'est le système de transport de l'O2 qui intervient depuis l'air atmosphérique ou l'O2 est prélevé jusqu'aux Mitochondries (organites intra-cellulaires) de la cellule musculaire qui constituent l'usine à fabriquer de l'énergie. L'inertie de quelques minutes pour atteindre le débit maximal de la filière s'explique par l'adaptation du système cardio- respiratoire à l'effort musculaire. Si l'intensité de l'exercice est élevée dès le départ de l'exercice, l'approvisionnement en O2 des muscles en activité va s'opérer avec un certain retard et le déficit en O2 apparu en début d'exercice va s'aggraver tout le long de celui ci. Ce déficit en O2 est appelé dette d'oxygène.

1 - CRITERES D'UN EFFORT AU NIVEAU DE VO2 MAX

Pour atteindre VO2 Max, il n'est pas nécessaire d'amener le sujet jusqu'à l'épuisement (à VO2 Max l'effort est maximal et non supra-maximal).

VO2 Max est atteint:

-  à fréquence cardiaque maximale (FC)  selon la formule globalement toujours valable: 

FC Maximale = 220 - l'âge + ou - 10.

- avec une concentration de lactates dans le sang de 80mg pour 100 ml (la valeur de repos est de 10 mg/ 100 ml).
VO2 Max s'exprime en Litres par minute ( L/ mn) ou en (ml / mn/ kg). Des statistiques portant sur des individus de 20 ans donnent des valeur moyennes de VO2 de 35 à 45 ml/mn/ kg. Les valeurs les plus élevées se rencontrent dans les sports à haute exigence physique comme le cyclisme et le ski de fond, de l'ordre de 75 à 85 ml / kg avec retentissement direct sur la performance sportive. A poids, qualités techniques et intelligence tactique égales, un coureur cycliste à VO2 Max élevé et donc à PMA élevée, présentera pendant une épreuve sportive une aisance supérieure à celle de ses adversaires moins bien lotis. Cela explique à qualités techniques et intelligence tactique égales, l'écart de temps entre les différents champions cyclistes ou skieurs de fond à la fin d'une course contre la montre ou d'une épreuve en montagne.

2 - INFLUENCE DU DETERMINISME GENETIQUE, DE L'AGE, DU SEXE  ET DE L'INTERRUPTION DE L'ACTIVITE SPORTIVE 

Les capacités naturelles (génétiques ) interviennent d'abord dans la détermination de l'aptitude maximale. La pratique régulière depuis l'enfance d'exercices intenses intervient ensuite. La conjugaison des 2 aboutit à un VO2 Max très élevé.

Avant la puberté, VO2 Max n'est pas significativement différent chez le garçon et la fille. Après la puberté, la capacité aérobie masculine est supérieure de 20 à 30%. Dans les 2 sexes chez des sujets très entraînés depuis l'enfance, VO2 Max atteint sa valeur maximale entre 18 et 20 ans. Grâce à un entraînement intense, cette valeur peut s'améliorer significativement de 20 à 50% après l'âge de 20 ans si l'entraînement aérobie n'a été introduit que mollement dans l'enfance et l'adolescence.

Avec l'âge, VO2 Max décline très progressivement par baisse de la fréquence cardiaque, de la fraction d'éjection systolique (quantité de sang éjectée à chaque battement cardiaque) et de certains mécanismes régulateurs de la chaîne de transport de l'oxygène. La réduction d'activité physique entraîne aussi une baisse de la fraction d'éjection systolique et l'interruption totale de l'activité physique (pour blessures avec alitement par exemple) fait chuter VO2 Max de 1% par jour pour gommer en 3 semaines les acquis d' un entraînement régulier (2 à 3 mois seront ensuite nécessaires pour récupérer le niveau antérieur).

3 - INFLUENCE DES CONDITIONS CLIMATIQUES

La température ambiante idéale pour une activité physique est de 28°; dans ces conditions la température cutanée est de 33° et la température centrale de 37°. Par temps froid et pour éviter la baisse de la température corporelle, l'organisme réagit en diminuant le débit sanguin périphérique (baisse de la température cutanée) tandis que par le frisson il produit de la chaleur. L'acclimatation au froid permet une meilleure tolérance et une économie d'oxygène. Dans nos régions tempérées le port de vêtements de sport adaptés permet de lutter efficacement contre certaines aberrations passagères du thermomètre. Pour lutter contre la chaleur l'organisme réagit par une vaso-dilatation cutanée qui facilite le passage de la chaleur du "noyau" vers "l'écorce" cutanée et l'élimine par la sudation. En ambiance thermique neutre, un exercice à VO2 Max fait passer la température centrale de 37° à 40°. L'endurance fondamentale INS élève la température centrale à 38°.

Un sportif bien entraîné s'adapte mieux à la chaleur qu'un sujet non entraîné, mais l'entraînement ne remplace pas l'acclimatation. Les contraintes sont plus élevées en ambiance humide, l'humidité s'opposant à la sudation; il faudra compenser après l'exercice, les pertes hydriques et à un degré moindre les pertes de sel liées à la sudation.

4 - INFLUENCE DE L'ALTITUDE

En altitude, la pression partielle de l'oxygène (PO2) diminue, c'est l'hypoxie. En hypoxie et pour un même effort, la dette d'O2 et la concentration sanguine de lactates seront plus élevées qu'au niveau de la mer et les capacités aérobies seront affectées à partir de 1200 mètres de course à pied.
En altitude:

- la ventilation pulmonaire et taux d'hémoglobine sanguin augmentent

- la température de l'air est plus basse et le rayonnement solaire plus intense

- la gravité influe positivement les sauts et les lancers en Athlétisme.

- en Cyclisme, la baisse de la gravité terrestre et de la résistance à l'air sont contrebalancés par les effets de l'hypoxie sur les capacités aérobies (l'utilité d'aller battre un record de l'heure en cyclisme à Mexico n'est pas si évident que ça).

5 - EQUILIBRE HYDRIQUE ET SEL

Chez un sujet au repos, la perte hydrique (digestive, respiratoire, cutanée et urinaire) est de l'ordre de 2,6 litres/jour, compensée par les entrées (aliments, boissons, oxydations cellulaires). Le niveau de performance est affecté à partir d'une perte d'eau équivalente à 1% et l'acclimatation améliore la tolérance mais ne protège pas contre la déshydratation.

Une activité physique intense réalisée en température ambiante élevée s'accompagne d'une sudation avec perte d'eau massive qui peut atteindre de 8 à 10% du poids du corps.

La soif intervient pour compenser en partie les pertes hydriques mais le phénomène de satiété intervient avant que la balance hydrique ne soit rétablie et il va falloir boire plus que sa soif pour compenser. La boisson idéale est hypotonique (pauvre en sels minéraux et plus vite absorbée), légèrement sucrée, froide entre 8° et  10°; il est recommandé d'en ingérer 1/2 litre, 1/2 heure avant une épreuve de longue durée et l'équivalent d'un verre d'eau (150 ml) tous les 1/4 d'heure. Après l'effort il faudra boire abondamment et saler un peu plus son repas; en dessous d'une perte de poids de 2,7 kilos, le sel alimentaire suffit à compenser les pertes. Boire ne fait pas prendre du poids et à l'inverse le port de vêtements de caoutchouc qui font étuve ne fait perdre que de l'eau, la  graisse corporelle ne "fondant" pas. Seul un entraînement physique aérobie à allure modérée fait perdre de la masse grasse. Sur le plan préventif, il est judicieux pour chaque sportif d'établir sa courbe de poids et d'ajuster la quantité de boisson à ingérer après tout exercice physique afin de maintenir la stabilité du poids de corps. 

6 - NOTION DE QUOTIENT RESPIRATOIRE ET DE SEUIL ANAEROBIE

A l'effort, à partir d'1 certain seuil d'intensité, le volume d'air expiré et donc le volume rejeté de CO2 va être supérieur à la consommation d'O2  et le quotient respiratoire (VCO2 / VO2) ne sera plus égal à 1 (il ne sera plus linéaire): c'est le seuil ventilatoire qui une fois franchi, verra s'accumuler les lactates.
La présence de ces lactates dans le sang (lactacidémie, mesurable par quelques gouttes de sang prélevées sur le bout d'un doigt de la main, comme pour la mesure de la glycémie et analysés par un appareil portatif) sont le témoin d'un effort d'endurance ayant franchi le seuil anaérobie. Ce seuil anaérobie est spécifique d'un individu, il est d'autant plus élevé que le VO2 Max est élevé et il est améliorable par l'entraînement.

7 - EVALUATION DU VO2  Max

a - par une épreuve maximale de mesure directe des échanges gazeux en laboratoire sur bicyclette ergométrique ou tapis roulant; c'est la technique la meilleure et la plus précise mais elle nécessite un matériel sophistiqué, un personnel qualifié et un environnement médicalisé.

b - par une épreuve sous maximale indirecte de mesure de la fréquence cardiaque (test d'Astrand) qui ne doit pas trop s'éloigner de 140 par mn à la fin d'un exercice de 6 mn sur bicyclette ergométrique réalisé à puissance constante et après échauffement préalable. Cette épreuve d'Astrand que beaucoup jugent obsolète et sans intérêt, nous continuons à la proposer depuis 40 ans dans les indications de dépistage de masse et de suivi bi ou tri annuel de l'entraînement; autre avantage, le test ne nécessite qu'un matériel et des compétences techniques minimales; désavantage, les résultats obtenus ne sont qu'une estimation du VO2 Max. 

Nous avons l'habitude de coupler le test d'Astrand avec:
- soit le test de terrain de Cooper sur 12 mn (VO2max s'obtenant par la formule: VO2max = 22,351 x d - 11,288 ml/min/kg; d : distance parcourue). 
- soit avec le demi Cooper sur 6 mn plus précis.

NB: Le test de Cooper (jeune médecin de l'armée américaine) est le test aérobie de terrain le plus connu mis au point en 1968; le régiment de Thionville réalise  sa sélection avec ce test  (bien que  12 min soit une durée supérieure à celle que les sportifs d'endurance sont capables de soutenir à VO2max; c'est plutôt une épreuve d'endurance maximale aérobie utilisant une fraction de VO2 Max).

c - Indices de forme à partir du test de Cooper
Femmes: - de 30 ans; 30 à 39 ans ;40 à 49 ans; + de 50 ans

Très faible - de 1520 m; - de 1360; - de 1200 m; - de 1120.

Faible de 1520 à 1835; 1360 à 1675; 1200 à 1515; 1120 à 1335.

Moyen de 1840 à 2155; 1680 à 1999; 1520 à 1835; 1360 à 1675.

Bon de 2160 à 2640; 2000 à 2480; 1840 à 2320; 1680 à 2160.

Très bon + de 2640; + de 2480; + de 2320; + de 2160.

Homme: - de 30 ans; 30 à 39 ans; 40 à 49 ans; + de 50 ans.

Très faible - de 1600 m; - de 1520; - de 1360 m; - de 1280.

Faible 1600 à 2000 m; 1520 à 1835; 1360 à 1675; 1280 à 1599.

Moyen 2000 à 2400 m; 1840 à 2235; 1680 à 2075; 1600 à 1995.

Bon 2400 à 2800; 2240 à 2640; 2080 à 2480; 2000 à 2400.

Très bon + de 2800; + de 2640; + de 2480; + de 2400.

NB: les tests de terrain en général sont validés, fidèles et faciles à mettre en place. Non médicalisés, ils sont sans obligation de surveillance médicale (électrocardiogramme, système de réanimation) à condition que les sportifs participants soient sans risque de pathologie cardio-respiratoire (intérêt d'une visite médicale d'aptitude annuelle). Ils ont aussi l'avantage de se dérouler dans l’environnement habituel du sportif et avec des gestes biomécaniquement proches de ceux de la compétition (en Athlétisme surtout) . 

LA PUISSANCE MAXIMALE AEROBIE (PMA)

                             

La puissance d'un travail musculaire qui conduit à VO2 Max = puissance maximale aérobie (PMA); elle s'exprime en Watts et peut atteindre des nivaux élevés en Cyclisme (400 à 550 w  et plus de 7 w/kg pour les meilleurs).

Cette PMA ne peut être soutenue chez un cycliste très bien préparé que pendant 5' à 7 '; au delà c'est une fraction de la PMA qui peut être soutenue et deux cyclistes ayant la même valeur de PMA, le meilleur sera le plus léger et donc celui qui présente le poids du corps le moins élevé. 

A noter que pour les efforts supra-maximaux (efforts au dela de VO2Max, lors d'un sprint par exemple sur des temps très court), la puissance que peut développer un cycliste peut être largement supérieure à 1000 watts et correspond alors à la puissance maximale anaérobie alactique et lactique et non pas à la PMA qui est une valeur aérobie.

La PMA peut être estimée indirectement  à partir de la fréquence cardiaque qui doit être voisine de 170 à  la fin  d'un exercice de 3 paliers de 4 mn avec puissance croissante par palier et réalisé sur ergocycle. Ce test est recommandé par l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) et mesure indirectement la puissance maximale en watt par extrapolation à partir de la fréquence cardiaque maximale (220- l'âge). Le VO2max est trouvé suite à un calcul. 

Matériel : Bicyclette ergométrique à freinage mécanique ou électromagnétique et Cardio-fréquencemètre. 

Protocole : Pédaler sur une période de 12 minutes fractionnées en 3 paliers égaux de 4 minutes en augmentant la puissance à chaque palier en fonction de l'âge, du sexe, du poids et de la fréquence cardiaque. De là sera calculée VO2 max qui, divisée par le poids du corps donnera l'indice de condition aérobie. Avant de commencer l'épreuve, il faut s'assurer du bon réglage de l’ergomètre (hauteur de la selle notamment) et choisir à partir d'un tableau statistique de référence qui prend en compte l'âge, le sexe et le poids, les puissances de référence pour chacun des 3 paliers. Suite à un échauffement de 3 minutes avec une charge d'environ 50 watts, l'épreuve commence dès que la première des 3 puissances (P1) est appliquée. Pour définir la puissance respective des  3 paliers, on peut se référer à la table de cotation de Shepard (1969). Le sujet doit pédaler à une cadence de 60 tours par minute (24 km/ h sur ergocycle Monark ) pendant 12 minutes. Il convient alors de mesurer la fréquence cardiaque sur les dernières secondes de la 4éme minute (FC1). Augmenter la puissance correspondant au second palier (P2). Mesurer la fréquence cardiaque sur les dernières secondes de la 8éme minute (Fc2). Augmenter la puissance correspondant au second palier (P3). Mesurer la fréquence cardiaque sur les  dernières secondes de la 12éme minute qui doit être voisine de 170 (Fc3). À la fin des 12 minutes le sujet continue à pédaler avec une puissance de 30 watts pour récupérer.

Tableau de travail en watts selon l'âge, le sexe et le poids. Shepard (1969)

Le tableau de Shepard permet en fonction du sexe, de l'âge et du poids, d'établir statistiquement les puissances à allouer par palier. L'interprétation des résultats est fonction des trois valeurs de fréquence cardiaque obtenues respectivement à la 4ème, 8ème et 12ème minutes. Ces trois valeurs permettent d'établir une droite de régression linéaire avec la fréquence cardiaque maximale théorique (FCMT) du sujet. Cette relation va permettre l'appréciation de la puissance maximale théorique de travail (PMT).

LA VITESSE MAXIMALE AEROBIE (VMA) 

La vitesse de course qui conduit à VO2 Max = vitesse maximale aérobie (VMA); elle s'exprime en Km/ heure avec des chiffres supérieurs à 20 km/h chez les très bons coureurs de fond. En course à pied, sur les distances qui vont du 3000 m au 10 000 mètres et dans les sports collectifs comme le football et le rugby, c'est la vitesse maximale aérobie (VMA) qui permet d'atteindre VO2 Max dont il faut tenir compte, car elle intègre la technique de course; elle s'exprime en Km/heure.

Evaluation de la VMA

1- Le demi- Cooper ou Test de 6 min  à 100% de ses possibilités. Il s’agit ici de courir sur un parcours ou une piste pendant 6 min le plus vite possible et de mesurer la distance qui a été effectuée ce qui permet a partir du temps et de la distance d’en déduire une vitesse qui est la VMA. Avantage appréciable, il est le plus simple à réaliser.

2 - Le VAM-EVAL de Cazorla et Léger en 1992 est le test généralement réalisé dans les clubs pour sa facilité de mise en oeuvre et la simplicité du matériel nécessaire (magnétophone, cassette pré-enregistrée avec le protocole, sifflet, plots et piste circulaire à développement multiple de 20 m). Pour la mise en place, il suffit d’installer des balises tous les 20 m, de suivre les indications de la cassette et de siffler aux bips sonores. Sans échauffement et avec une vitesse de départ à 8 km/h, les athlètes se contentent d’être au niveau du plot suivant, selon le rythme indiqué (bips). Dès qu' un retard de deux mètres par rapport au plot est constaté, le test est terminé et le dernier palier atteint retenu. La VMA est ensuite déterminée à partir d’une table de conversion: VO2Max = 3.5 x V(km/h).

3 - Le test de Luc léger

Déroulement du test: d'abord, il faut disposer des repères tous les 20 mètres sur une piste et connaître approximativement sa VMA (par le Test de Cooper par exemple). On commence à courir à sa VMA (approximative) moins 4 km/h pendant 2 minutes. Pour être certain de courir à la bonne vitesse, une personne où un appareil (enregistrement 

de signal) envoie un signal à chaque fois que l'on devrait passer devant un repère si l'on courait à la bonne vitesse. Toutes les 2 minutes, on augmente la vitesse de 0,5 km/h. Le sujet doit donc accélérer légèrement toutes les 2 minutes. Lorsqu'il n'y parvient plus, c'est-à-dire lorsque le signal est émis avant qu'il n'ait atteint le repère, on considère qu'il a atteint sa VMA. La durée du test doit être compris entre 15 et 20 minutes, d'où la vitesse initiale de VMA - 4 km/h. Son principe est d'accélérer progressivement le rythme de course de façon à atteindre l'objectif avant que le bip sonore ne retentisse. L'intervalle de temps entre les signaux sonores s'amenuisant à mesure que l'on avance dans le test. Le test de Luc Léger est bien corrélé au VO2 Max des tests de laboratoire.

Pour des distances inférieures à 3000 m et dans les sports collectifs interviennent aussi les qualités anaérobies. Pour le marathon il s'agira pour l'athlète de maintenir une fraction de sa VMA la plus élevée possible, c'est l'endurance maximale aérobie (EMA).

L'ENDURANCE MAXIMALE AEROBIE (EMA)
Lorsqu'un exercice physique intense se prolonge au delà de 10 minutes, il met en jeu obligatoirement une fraction de VO2 Max la plus élevée possible: c'est l' Endurance maximale aérobie (EMA) qui se définit comme la possibilité pour un sportif bien entraîné de maintenir un pourcentage élevé de VO2 Max (ou de sa PMA  ou de sa VMA). Un sportif bien entraîné peut tenir:

- 8 heures à 50% de VO2 Max ou de sa PMA ou de sa VMA.

- 2 heures à 70-75%

- 1 heure à 85%
- 1/2 heure à 90%

- 10 minutes à 95%

- 5 à 7 minutes à 100%.

NB: l'endurance fondamentale autrefois appelée endurance INS (institut national des sports) est un effort à 50% de VO2 Max et jadis utilisée exclusivement comme méthode d'entraînement par les athlètes d'endurance qui parcouraient au moins 40 à 50 km / jour à allure moyenne (l'entraînement fractionné a depuis raccourci les distances et durci leur intensité) .

L'ENTRAINEMENT DE LA FILIERE AEROBIE

L'entraînement en endurance est celui de la filière aérobie et concerne des millions d'individus, du sportif du dimanche au marathonien de haut vol et le critère qui définit la filière aérobie est VO2 Max (consommation maximale d'oxygène). Sa détermination directe par mesure des échanges gazeux respiratoires ou son estimation indirecte à partir de la fréquence cardiaque et basée sur des épreuves sous maximales permettent de classer les individus, par assimilation de la machine humaine à un véhicule automobile avec des petites, moyennes ou grosses cylindrées en fonction des résultats des mesures de VO2 Max exprimées en ml/mn/kilo.

 Classification des efforts en fonction de VO2 MAX

Par rapport à VO2 Max on distingue:

1 - des efforts supra-maximaux au-dessus de VO2 Max effectués à des vitesses sur-critiques et correspondant à un travail Anaérobie, en dette d'oxygène.

2 - des efforts maximaux effectués à vitesse critique et sollicitant au maximum le système de transport de l'oxygène. Le niveau d'effort atteint sera d'autant plus élevé que le potentiel du sportif (inné par la génétique + acquis par l'entraînement) est grand.

Si l'entraînement fractionné est choisi, la fréquence cardiaque d'effort sera voisine de la fréquence cardiaque maximale (entre 180 et 200 pulsations/mn de 20 à 30 ans) et le temps d'effort compris entre 5 et 10 mn avec des intervalles de repos équivalents au temps d'effort ou à sa moitié en fonction de la tolérance individuelle du moment.

3 - des efforts sous-maximaux, effectués à des vitesses sous-critiques qui seront couverts d'autant plus largement par les processus Aérobies, que le pourcentage par rapport à VO2 Max est bas. Des efforts sous-maximaux inférieurs à 50% de VO2 Max, n'entraînent aucune amélioration de l'aptitude Aérobie. Ils sont toutefois d'un intérêt sans pareil comme outils naturels de décrassage musculaire après une compétition (paiement de la dette d'oxygène), après interruption suite à blessures ou alitement, en prévention des traumatismes de surcharge tendino-musculaires et ostéo-articulaires, pour mobiliser la filière des graisses et épargner le glycogène musculaire et dernier et non des moindre, pour affiner la silhouette et perdre de la masse grasse.

L'endurance maximale aérobie est préférentiellement améliorée par des efforts sous-maximaux (80% de VO2 Max) à vitesse sous-critique si l'on a choisi l'entraînement continu; si l'on a choisi l'entraînement fractionné, les intervalles de repos doivent être courts.

La réponse adaptative de l'organisme à un entraînement de type Aérobie est une augmentation de la capacité à utiliser l'oxygène (capacité oxydative) des fibres à contraction rapide FTA.

L’entrainement aérobie

L'acquisition d'un bon VO2 Max (65 ml/mn/kg et plus) nécessite plusieurs années d'entraînement. Cet entraînement aérobie, plus il est introduit tôt dans une carrière sportive (par la pratique de l'athlétisme, du ski de fond ou de la natation de compétition, du vélo, de la randonnée en montagne comme activités de loisir) plus il a de chance d'atteindre un niveau très élevé surtout si le potentiel génétique est présent.

Le rythme de 3 à 4 entraînements par semaine est un rythme optimal qui évite la saturation. Il devra être précédé par 2 étapes indispensables:

- 1ère étape: pendant 1 à 2 mois, à raison de 2 ou 3 fois par semaine, le sportif devra s'astreindre à une séance d'entraînement longue et de faible intensité (50% et de style jogging) de manière à habituer l'organisme à puiser dans le réservoir des graisses et épargner le glycogène musculaire. 

Cette 1ère étape d'efforts modérés va également améliorer considérablement la vascularisation des muscles, des tendons et des articulations et prévenir les traumatismes (accidents musculaires ou tendineux, fractures de fatigue).

- 2ème étape: cette fois-ci à raison de 3 à 4 séances hebdomadaires, le sportif va augmenter graduellement la difficulté des séances en élevant progressivement leur intensité.

Chez un adulte sédentaire, ce type d'entraînement régulier pet faire progresser VO2 Max de 100%. Pour un compétiteur, l'amélioration ira de 15 à 30% et même jusqu'à 50% après 24 mois d'entraînement intensif, à raison de 5 fois par semaine. Une fois le bon niveau aérobie acquis, 2 séances d'entretien par semaine seront nécessaires et suffisantes. Avant 20 ans, l'entraînement doit être axé sur l'acquisition d'un VO2 Max élevé, après 20 ans, il sera axé sur l'endurance maximale aérobie.
Les procédés d'entraînement en endurance 

Tous les procédés d'entraînement de la filière aérobie doivent tendre à améliorer la vitesse de course et le procédé le plus performant est sans conteste, l'entraînement fractionné.

1- L'endurance INS à 50% du VO2 Max.

Pour impacter la filière cardio-respiratoire sa durée doit être d'au moins 20 mn et jusqu'à plusieurs heures. Intérêt chez les sportifs vétérans en paiement de la dette d'O2 et comme 1ère étape d'un travail foncier d'endurance. Ce type d'entraînement était autrefois le procédé utilisé par les plus grands champions pour améliorer leur capacité aérobie sur des distances de 40 à 50 kms, parcourues quotidiennement.

2 - Le fartlek.

C'est un forme d'entraînement sauvage où toutes les cadences de course sont utilisées et intéressantes car reproduisant les changements de rythme de la compétition en cyclisme, cyclo-cross, ski de fond, triathlon, cross-country, courses en montagne, sports collectifs, à condition de pouvoir recueillir et analyser grâce à un cardio-fréquencemètre relié à un ordinateur de poignet, les différents paramètres physiologiques.

3 - L'entraînement fractionné (interval-training de Fox et Mathews).

C'est un travail intermittent particulièrement prisé par les sportifs de haut niveau, qui alterne des séries d'exercices à intensité élevée et des périodes de calme qui retardent la fatigue et permettent de soutenir pendant les périodes de travail des efforts proches du maximum. L'intervalle de repos intervient pour payer la dette d'oxygène en limitant l'accumulation des lactates qui seront convertis en Glycogène musculaire ou consommés par les Tissus (cardiaques en particulier).

Ce type d'entraînement obéit à 3 règles:

- 1ère règle: bien définir la filière métabolique que l'on veut améliorer (par exemple aérobie pour un cycliste ou un marathonien; anaérobie lactique pour un coureur de 400 mètres; anaérobie alactique pour un sprinter; les 3 filières dans la plupart des sports collectifs).

- 2ème règle: appliquer le principe de la surcharge progressive pour ne pas agresser brutalement les systèmes cardio-respiratoire, musculaire et ostéo-articulaire.

- 3ème règle: tout entraînement spécifique d'une spécialité sportive doit accorder une attention égale aux caractéristiques personnelles du sportif (spécificité d'individu), chaque sportif est unique et son programme de travail doit être du sur-mesure.

4 - Le sprint par intervalle: 15 " d'effort - 15" de repos est un procédé intéressant d'amélioration de la capacité aérobie en Athlétisme.

NB: règle d'Astrand: pour des efforts maximaux ou très voisins, la réduction de l'intervalle de repos rend la charge physique plus aérobie.

 En pratique

Il est commode de distinguer l'endurance de base, le travail de la vitesse de base et l'entraînement fractionné qui, tout en réduisant distances et temps d'effort, permet de soutenir des charges de travail élevées.

1 - L'entraînement de l'endurance de base est réalisé entre 60-75% de F C max, en fonction du niveau du coureur. Le programme hebdomadaire doit comporter au moins une séance longue de 90 mn et 2 ou 3 séances plus courtes de 30-45 minutes.

En phase de pré-compétition, les séances d'endurance de base ne servent qu'à la récupération.

2 - L'entraînement de la vitesse de base doit s'effectuer de préférence en fractionné, avec des temps d'effort par exemple de: 4 x 8min/ avec 5 min de récupération, ou en distance 4 x 2km/ et 1km de récupération.

Développer sa vitesse de base est important lorsqu'on s'entraîne pour un marathon, puisque la majeure partie est courue à l'allure d'entraînement. Il faut toujours inclure au moins 1 séance de vitesse de base au programme d'entraînement hebdomadaire.

3 - Les séances de fractionné sont les plus intéressantes car il est plus facile de maintenir une allure élevée sur des intervalles courts, le niveau de fatigue engendré étant moins important.

Pour un entraînement au marathon par exemple, faire: 3 x20 min à 80% de FCmax, alternant avec 10 min de footing léger à 60% de FCmax. Puis progressivement durcir les séances par du fractionné à intensité très élevée. 

Afin que le niveau d'acide lactique reste suffisamment bas ou plus exactement que l'acidose reste contenue, (le taux de lactates n'est plus le poison musculaire comme présenté jusqu'aux années 80 par les physiologistes de l'effort, il est le simple témoin de la participation du glucose comme facteur principal de l'effort lorsque ce dernier atteint une certaine intensité et il sert même de carburant aux muscles qui travaillent et au muscle cardiaque; l'ennemi c'est l'acidose, liée à l'ion H+) il est important de courir juste en-dessous de la vitesse maximale, c'est-à-dire entre 90-95% de la FC max.

Une séance classique comportera par exemple 5 x 3 min alternant avec 5 min en footing de récupération.

Pour un coureur expérimenté, courir à 95% de FC Max de 45 à 90 secondes, avec 5 minutes de récupération. Par exemple: 8 x 60 secondes + 5 minutes de marche.

Au final sur 12 mois:

- en début de saison sur 2 mois: 3 séances hebdomadaires d'endurance de base à 70% + 1 séance supplémentaire de vitesse de base le 2ème mois- de J60 à J150: 1 séance d'endurance de base + 3 séances de vitesse de base.

- à partir de J150 et pendant 5 mois (périodes de compétition): 1 séance de base à 60%+ 1 à 2 séances de vitesse à 80% + 2 séances de fractionné (1 à 90% + 1 à 95%).

- les 11 et 12 ème mois, repos relatif (faire autre chose que de la course à pied).

Tous les sportifs d'endurance ont un point commun qui est celui d'avoir un mental hors norme et d'être particulièrement motivé. La motivation étant le processus psychologique qui pousse l'individu à se surpasser. Son rôle dans la performance est fondamental; elle est présente chez tous les sportifs de haut niveau et c'est le meilleur des dopants. Les qualités physiques naturelles ne sont pas suffisantes si le sportif ne désire pas les cultiver en s'entraînant jusqu'à ses limites extrêmes. A l'inverse, quelle que soit la motivation il n'y a pas de performance de haut niveau possible en cas d'aptitude physique limitée.

NB: pour tous les adeptes de course à pied, nous conseillons de consulter le blog  VOLODALEN dirigé par Cyrille Gindre.