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Comment les performances de vol en rafale anaérobie évoluent-elles avec la masse ?

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Les cailles utilisent un vol en rafale anaérobie pour échapper aux prédateurs et aux Quetzalcoatlus northropi l'ont très probablement utilisé lors du lancement et de la montée, puis transition vers le vol à voile.

Maintenant, j'ai lu ces articles, de Marden, Witton et C.J. Pennycuick

Je ne jouerai pas comme si je ne connaissais vraiment pas grand-chose à la mécanique du vol des oiseaux, alors je me suis facilement embrouillé en les lisant.

Comment les performances de vol anaérobie évoluent-elles avec la masse ?


En raison de ses effets profonds sur les taux de processus biologiques tels que le métabolisme aérobie, la température environnementale joue un rôle important dans la formation de la distribution et de l'abondance des espèces. À mesure que la température augmente, le taux de métabolisme augmente puis diminue rapidement à des températures plus élevées - une réponse qui peut être décrite à l'aide d'une courbe de performance thermique (TPC). Bien que la forme du TPC pour le métabolisme aérobie soit souvent attribuée aux effets concurrents de la thermodynamique, qui peuvent être décrits à l'aide de l'équation d'Arrhenius, et aux effets de la température sur la stabilité des protéines, ce compte représente une simplification excessive des facteurs agissant même à le niveau de protéines individuelles. En outre, il ne peut pas tenir compte de manière adéquate des effets de la température sur des processus complexes à plusieurs étapes, tels que le métabolisme aérobie, qui reposent sur des mécanismes agissant à plusieurs niveaux d'organisation biologique. Le but de cette revue est d'explorer notre compréhension actuelle des facteurs qui façonnent le TPC pour le métabolisme aérobie en réponse aux changements aigus de température, et de mettre en évidence les domaines où cette compréhension est faible ou insuffisante. Le développement d'un modèle mécaniste plus solidement ancré pour tenir compte de la forme du TPC pour le métabolisme aérobie est crucial car ces TPC sont à la base de plusieurs tentatives récentes pour prédire les réponses des espèces au changement climatique, y compris la théorie métabolique de l'écologie et l'hypothèse de tolérance thermique limitée à l'oxygène et à la capacité.

La température a des effets profonds sur les réactions chimiques et biochimiques ainsi, comprendre les mécanismes que les organismes utilisent pour faire face au changement thermique a été au centre du domaine de l'adaptation biochimique depuis sa création (Hochachka, 1965, 1967 Somero et al., 1968 Somero et Hochachka , 1969, 1971 Hochachka et Somero, 1968, 1973,, 2002). Au cours des 50 dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans la compréhension des bases biochimiques de l'adaptation thermique (Cossins et Bowler, 1987 Angilletta, 2009), notamment au niveau des protéines individuelles (Somero, 2004 Fields et al., 2015). Cependant, de nombreuses questions restent sans réponse, même au niveau biochimique, et nous manquons encore d'une compréhension mécanique complète des effets de la température sur les processus biologiques à travers les niveaux d'organisation et la suite d'adaptations que les organismes utilisent pour faire face à ces effets (Somero, 2012 ). Ces questions sont de plus en plus critiques car le changement climatique induit par l'homme modifie les modèles de températures moyennes et extrêmes à travers le monde, entraînant des changements dans la répartition biogéographique des espèces (Parmesan et Yohe, 2003 Perry et al., 2005 Parmesan, 2006).

La façon la plus simple de décrire les effets de la température sur la vitesse d'un processus biochimique, physiologique ou comportemental est de générer une courbe de performance thermique (TPC, Fig. 1) (Schulte et al., 2011). De nombreuses études ont documenté les formes des TPC à travers les niveaux d'organisation biologique et les taxons. Une méta-analyse de ces données (Dell et al., 2013) indique que les TPC ont tendance à être unimodales et à gauche avec trois régions distinctes (Dell et al., 2011, 2013) : (1) une phase ascendante lorsque la température augmente (2 ) une phase de plateau qui englobe l'optimum thermique (Topter) pour le trait et (3) une phase de chute abrupte à des températures plus élevées.

Une courbe de performance thermique (TPC). Les TPC résument les effets de la température sur les vitesses des processus biologiques. Les caractéristiques critiques d'un TPC sont la pente de l'augmentation de la vitesse avec la température, l'optimum thermique pour le processus (Topter) et la largeur thermique, qui est la plage de températures sur laquelle la vitesse du processus est maximisée.

Une courbe de performance thermique (TPC). Les TPC résument les effets de la température sur les vitesses des processus biologiques. Les caractéristiques critiques d'un TPC sont la pente de l'augmentation de la vitesse avec la température, l'optimum thermique pour le processus (Topter) et la largeur thermique, qui est la plage de températures sur laquelle la vitesse du processus est maximisée.

Au sein de cette communauté, cependant, il existe une énorme quantité de variation dans la forme des TPC. Cette variation est, en partie, le résultat de différences adaptatives entre les taxons, et peut également être causée par une variation neutre et divers types de plasticité, y compris les effets épigénétiques, la plasticité développementale et l'acclimatation (Schulte et al., 2011), ainsi que par des problèmes méthodologiques tels que le taux de changement de température imposé lors de la détermination expérimentale du TPC (Cossins et Bowler, 1987).

Température du point de rupture d'Arrhenius

théorie métabolique de l'écologie

tolérance thermique limitée à l'oxygène et à la capacité

courbe de performance thermique

Énergie d'activation de Gibbs

Bien que l'équation d'Arrhenius puisse être utilisée pour expliquer la forme de la phase ascendante d'un TPC, elle ne peut pas expliquer la caractéristique la plus évidente des TPC pour les processus biologiques : la présence d'un maximum (au Topter) suivi d'une forte baisse du taux. Ce déclin est généralement attribué à la dénaturation des protéines à haute température. Cependant, même pour des protéines individuelles, ce compte représente une simplification excessive des processus qui façonnent les TPC, et il n'est pas clair si ces facteurs sont suffisants lorsque l'on considère des traits biologiques complexes causés par l'interaction de nombreuses protéines et processus à plusieurs niveaux d'organisation biologique (Prosser, 1973 Cossins et Bowler, 1987 Knies et Kingsolver, 2010).

Bien que notre compréhension des mécanismes biochimiques et physiologiques sous-jacents qui façonnent les TPC soit incomplète, les données empiriques sur les formes des TPC sont actuellement utilisées pour développer des modèles prédictifs sur les réponses des espèces, des populations et des communautés au changement climatique (voir par exemple Kordas et al., 2011 Amarasekare et Savage, 2012 Dell et al., 2014 Gilbert et al., 2014). Le développement de ces modèles empiriques en de véritables modèles mécanistes de cause à effet (Helmuth et al., 2005) nécessitera un aperçu des causes immédiates et ultimes de la variation de la forme des TPC. Par conséquent, le but de cette revue est d'examiner notre compréhension actuelle des mécanismes biochimiques et physiologiques sous-jacents qui façonnent les TPC pour le métabolisme aérobie en réponse à des changements aigus de température, afin de fournir des perspectives sur les mécanismes de plasticité physiologique et d'adaptation évolutive que les organismes pourraient utiliser. pour faire face à ces effets.


En utilisant la Vo2 absolue et relative pour mesurer les calories dépensées

VO absolue et relative2 fournir des informations précieuses. Compte tenu du rôle de l'oxygène dans le métabolisme (c'est-à-dire pour brûler des carburants), la quantification de la quantité totale d'oxygène consommée fournit une estimation des calories dépensées.

Vous pouvez en fait utiliser la VO2 pour obtenir une image assez précise de la perte de poids grâce à des équivalents métaboliques.

Bien que cela ne soit pas exact, les scientifiques utilisent en moyenne cinq (5) calories pour chaque litre d'oxygène consommé. Par conséquent, si Marie courait sur un tapis roulant et consommait 2,0 L/min, elle dépenserait 10 kcal par minute ou 200 kcal sur une période de 20 minutes.


Tirez le meilleur parti de vos exercices. Go Pro!

L'exercice anaérobie n'est pas pour tout le monde. Si vous pratiquez des activités ou des sports qui nécessitent du rythme et de l'endurance, l'exercice anaérobie n'est pas pour vous. Cependant, si vous avez besoin d'un entraînement pour un sport qui nécessite une brève poussée d'énergie intense pendant une période de temps très limitée, l'entraînement à l'aide d'exercices anaérobies sera bénéfique.

Des sports comme ceux-ci incluent le sprint de 50 ou 100 mètres ou l'haltérophilie à l'épaulé-jeté. Il peut également être approprié pour des sports tels que le football, le soccer, le hockey et le basket-ball, qui, bien qu'exigeant généralement de l'endurance et un conditionnement aérobique, nécessitent également de courtes périodes d'énergie intense, ce qui rend le conditionnement anaérobique approprié.

Les types d'exercices anaérobies comprennent les sprints sur de courtes distances, les redressements assis, les pompes ou les tractions à la barre très rapidement pendant une courte période de temps, ou la musculation intense. Souvent, les athlètes ciblent une certaine zone problématique du corps en utilisant un entraînement de musculation très intense pour cette partie du corps uniquement.


Introduction

La popularité de la musculation naturelle augmente rapidement. Aux États-Unis, plus de 200 concours de culturisme amateur naturel (testé sur les drogues) ont eu lieu en 2013 et le nombre de concours devrait augmenter en 2014 [1]. La préparation à la compétition de musculation implique des réductions drastiques de la graisse corporelle tout en maintenant la masse musculaire. Ceci est généralement réalisé grâce à une diminution de l'apport calorique, un entraînement musculaire intense et une augmentation de l'exercice cardiovasculaire. Les concurrents participent à de nombreuses stratégies alimentaires et de supplémentation pour se préparer à un concours. Certains ont une base scientifique solide, mais beaucoup n'en ont pas. Par conséquent, le but de cet article est de passer en revue la littérature scientifique sur des sujets pertinents à la nutrition et à la supplémentation pour la préparation aux compétitions de musculation. Les modifications alimentaires au cours de la dernière semaine pour améliorer la définition et la plénitude des muscles (pic) et les problèmes psychosociaux seront également couverts. En fin de compte, des recommandations fondées sur des preuves seront formulées pour les stratégies de nutrition, de supplémentation et de « semaine de pointe » pour les culturistes naturels. Enfin, ce document ne couvre pas les recommandations d'entraînement pour la musculation naturelle et la méthodologie d'entraînement utilisée interagira avec et modifiera les effets de toute approche nutritionnelle.


Test anaérobie Wingate

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Par Owen Walker
27 janv. 2016 | 5 minutes de lecture

Contenu de l'article

  1. Sommaire
  2. Qu'est-ce que le test anaérobie Wingate ?
  3. Application
  4. Variantes
  5. Procédure (Comment effectuer le test)
  6. Calculs pertinents
  7. Considérations
  8. Validité et la fiabilité
  9. Les références
  10. A propos de l'auteur
  11. commentaires

Sommaire

Le test Wingate Anaerobic a été développé dans les années 1970 pour mesurer la puissance et la capacité anaérobie. Depuis lors, il est peut-être devenu l'un des tests de condition physique les plus reconnus de l'histoire. Au fil des ans, de nombreuses variantes de ce test ont été développées pour identifier des qualités de performances légèrement différentes et pour le rendre plus adapté à des populations variées. Il est important de noter que le test anaérobie de Wingate s'est avéré à plusieurs reprises un prédicteur valide et fiable de la capacité et de la puissance anaérobies.

Mots clés: puissance anaérobie, capacité anaérobie, test de cycle, science du sport

Qu'est-ce que le test anaérobie Wingate ?

Le test Wingate Anaerobic est sans doute l'un des tests de fitness en laboratoire les plus célèbres. Il est généralement effectué sur un vélo ergomètre et est principalement utilisé pour mesurer la capacité anaérobie d'un individu et les sorties de puissance anaérobie (1). Dans sa forme la plus simple, ce test peut être effectué en utilisant uniquement un vélo ergomètre Monark ou Bodyguard et un chronomètre (2). Comme ce test ne nécessite que le participant à un effort maximal pendant 30 secondes, sa simplicité et son efficacité en termes de temps en font un protocole de test extrêmement populaire. Bien que ce test soit principalement effectué sur un vélo ergomètre, il peut également être effectué sur un ergomètre à manivelle.

Basé à l'origine sur le test de Cumming, ce test a été développé à l'Institut Wingate en Israël au début des années 1970. Depuis lors, il a subi des modifications et a également été utilisé comme base pour concevoir de nouveaux tests de nature similaire (3), et d'autres protocoles basés sur la course tels que le Sprint Interval Test (4).

Le crédit va à Dan Feeney

Application

Le test Wingate est capable d'identifier deux mesures principales : 1) la capacité anaérobie et 2) les puissances anaérobies. Ces valeurs sont des facteurs vitaux dans les sports qui demandent des efforts maximaux de courte durée. En conséquence, ce test particulier peut être un outil d'évaluation utile pour les athlètes qui participent à des sports de nature similaire.

Variantes

Depuis sa création au début des années 1970, le test de Wingate a subi plusieurs variantes alors que les chercheurs tentent de diversifier les utilisations et la spécificité du test. Ces modifications comprennent :

  • Durée du test: Certains chercheurs ont prolongé la durée du test de 30 secondes à 60 (5), voire 120 secondes (6) afin d'augmenter la demande sur les systèmes énergétiques anaérobie alactique et lactique.
  • Répétition des tests : En règle générale, le test Wingate n'est effectué qu'une seule fois par session de test, cependant, les chercheurs ont expérimenté l'efficacité des performances répétées à des fins d'entraînement. Cette recherche a démontré que répéter le test de Wingate quatre, cinq ou même six fois peut augmenter la puissance et la capacité aérobie, en plus de la capacité aérobie maximale (7 8).
  • Poids de test/ Charge de travail: Le poids de test original utilisé pour le test de Wingate, comme mentionné ci-dessus, est de 7,5% de la masse corporelle du participant, soit 0,075 kg par kg de poids corporel (9). Cette charge de travail originale a été choisie sur la base de l'utilisation de sujets jeunes, et non sur des populations adultes ou sportives. Par conséquent, les chercheurs ont manipulé la charge de travail pour rendre les résultats plus représentatifs de leur population choisie (par exemple, les joueurs de rugby universitaires ou les cyclistes olympiques). Alors que Katch et al. (6) ont utilisé des charges de travail de 0,053, 0,067 et 0,080, d'autres ont atteint 0,098 kg par kg de poids corporel (10). Bien que la charge de travail puisse être modifiée et ait été modifiée, le test Wingate utilise toujours le poids de test d'origine de 7,5% de la masse corporelle.

Procédure (Comment effectuer le test)

Il est important de noter que chaque fois que des tests de condition physique sont effectués, ils doivent être effectués dans un environnement cohérent (c. . Si l'environnement n'est pas cohérent, la fiabilité des tests répétés à des dates ultérieures peut être considérablement entravée et entraîner des données sans valeur.

Équipement requis

Avant le début du test, il est important de vous assurer d'avoir les éléments suivants :

  • Laboratoire ou salle d'essai
  • Vélo ergomètre
  • Logiciel informatique et de test (préféré, mais pas indispensable)
  • Balances
  • Feuille d'enregistrement des performances
  • Chronomètre

Tester la configuration

La figure 1 affiche la configuration de test pour le test Wingate, cette configuration doit être respectée si des données précises et fiables sont souhaitées.

Procédure de test

1. Calculer la masse corporelle (kg)

2. Calculez le « poids de test » (kg)

  • Le « poids de test » est de 7,5% de la masse corporelle du participant.
  • Poids de test (kg) = poids corporel en kg * 0,075
  • Commencer à faire du vélo – Le participant doit faire un cycle à 60 tr/min pendant 3-4 minutes à 60W (femelles) ou 90W (mâles). En d'autres termes, tous les participants (hommes ou femmes) doivent faire du vélo à 60 tr/min, bien que les femmes doivent faire du vélo contre une résistance de 1 kg et les hommes avec 1,5 kg. Remarque : le panier pèse généralement 1 kg.
  • Ajout du poids de test – À mi-parcours de l'échauffement, le participant doit brièvement arrêter le vélo, l'administrateur du test doit ensuite ajouter le poids de test. Une fois le poids ajouté, l'administrateur doit alors éloigner le panier du volant d'inertie pour que le participant puisse continuer à rouler à 60 tr/min sans résistance.

4. Après l'échauffement

Une fois les 4 minutes d'échauffement terminées, le sujet doit se reposer pendant deux minutes avant d'effectuer le test de sprint.

Commencer le test

  • Le participant doit commencer à faire du vélo à 60 tr/min pendant environ 10 secondes sans poids.
  • L'administrateur du test doit décompter « 3 – 2 – 1 – GO ! »
  • Au signal « GO », l'administrateur doit abaisser le panier de poids de test et le participant doit commencer à accélérer au maximum et essayer de maintenir une vitesse maximale pendant toute la durée du test de 30 secondes. Remarque : Les administrateurs de test doivent fournir des encouragements verbaux tout au long du test.

5. Fin du test

  • L'administrateur du test doit décompter les 3 dernières secondes du test « 3 – 2 – 1 – STOP ». Une fois le test terminé, certains sujets peuvent réagir à l'effort précédent. Pour réduire les problèmes, les sujets doivent rester sur l'ergomètre, faire du vélo à 60-80 tr/min sans aucune résistance, pendant au moins 2-3 minutes. Si le sujet se sent mal ou devient calme ou pâle, il doit descendre du vélo et s'allonger, les pieds reposant sur une chaise. Remarque : ne laissez jamais le participant seul après le test.

Calculs pertinents

Les valeurs suivantes sont toutes couramment utilisées lors d'un test anaérobie Wingate :

  • Puissance de sortie de crête (PPO)
  • Puissance de sortie de crête relative (RPP)
  • Fatigue anaérobie/ indice de fatigue (FA)
  • Capacité anaérobie (AC)

Comment : calculer la puissance de sortie de crête

Cela doit être calculé toutes les 5 secondes du test (pour un total de 6 PPO).

  • PPO = force (kg) * distance (m) ÷ temps (s)
  • Distance = nombre de tours pendant les 5 secondes * distance par tour (m)

Obliger est le poids ajouté au volant d'inertie en kilogrammes. Temps est mesurée en secondes ou minutes (5 secondes ou 0,0833 minutes). Distance est le nombre de tours multiplié par la distance par tour (mesurée en mètres).

Le tableau 1 montre les normes PPO pour les jeunes adultes actifs (11).

Comment : calculer la puissance de sortie relative

Cette unité de mesure permet une comparaison équitable entre les participants des poids et des tailles.

Le tableau 2 montre les normes PPO relatives pour les jeunes adultes actifs (11).

Comment : calculer la fatigue anaérobie/l'indice de fatigue

La fatigue anaérobie montre le pourcentage de puissance perdue du début à la fin du test.

Comment : calculer la capacité anaérobie

La capacité anaérobie est le travail total effectué pendant la durée de l'essai.

Considérations

Lors de la réalisation du test, plusieurs facteurs doivent être pris en considération avant de commencer, certains étant :

  • Reste assis – L'individu doit rester en selle tout au long du test. Ne pas le faire devrait entraîner un nouveau test.
  • Effort individuel – Les efforts sous-maximaux peuvent entraîner des scores inexacts et dénués de sens.
  • Rythmes circadiens – les rythmes circadiens peuvent modifier considérablement les puissances de sortie lors d'un test Wingate. Les connaissances actuelles suggèrent qu'un test Wingate tôt le matin provoquera des valeurs de puissance de crête significativement plus faibles qu'un test Wingate tard dans l'après-midi ou le soir (12).
  • Taux d'échantillonnage – le taux d'échantillonnage peut affecter de manière significative la précision des sorties de puissance de crête et moyenne. Un test Wingate effectué avec des flux de données informatiques avec des taux d'échantillonnage plus élevés s'avère plus précis que les tests effectués à l'aide d'un ergomètre mécanique standard. Pour les résultats les plus précis, une fréquence d'échantillonnage d'au moins 5 Hz (0,2 seconde) est recommandée (13).

Validité et la fiabilité

Pour déterminer la validité d'un test, le test doit être comparé à un protocole « gold standard » connu pour produire des résultats précis et fiables. Cependant, il n'existe pas de protocole de référence pour mesurer la capacité ou la puissance anaérobie (14). Au lieu de cela, le test Wingate a été comparé aux résultats de laboratoire, aux performances sportives et à la spécialité sportive pour vérifier sa validité en tant que protocole de test, et les résultats de cette recherche indiquent qu'il s'agit d'un indicateur précis et de validité de ces mesures (2). Ainsi, le test Wingate Anaerobic peut être utilisé comme un prédicteur valide et fiable de la capacité et de la puissance anaérobie.

Et maintenant?

Certains entraîneurs pensent que la lecture d'un article fera d'eux un expert des tests de performance. Voici pourquoi ils se trompent…

Les tests de performance impliquent de nombreux sujets. En choisissant de simplement lire sur le test anaérobie Wingate et d'ignorer la mer d'autres sujets cruciaux des tests de performance, vous courez le risque de nuire au succès de votre athlète et de ne pas réaliser votre plein potentiel.

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Toutes les informations fournies dans cet article sont uniquement à des fins d'information et d'éducation. Nous n'acceptons aucune responsabilité pour l'administration ou la fourniture de tout test effectué, que cela entraîne des conséquences positives ou négatives. À titre d'exemple, nous déclinons toute responsabilité en cas de blessure ou de maladie causée lors de l'administration d'un test. Toutes les informations sont fournies telles quelles.

Les références

Liste de référence (cliquez ici pour ouvrir)

    1. Vandewalle, D Gilbert, P Monod, H (1987). "Tests anaérobies standards".Médecine du sport4: 268-289. [PubMed]
    1. Bar-Or, O (1987). « Le test anaérobie de Wingate : une mise à jour sur la méthodologie, la fiabilité et la validité ».Médecine du sport4: 381-394 [PubMed]
    1. Tossavainen, M Nummela, A Paavolainen, L Mero, A Rusko, H (1996). « Comparaison de deux tests de cyclisme anaérobie maximal ».Revue Internationale de Médecine du Sport17 (S2) : S120–S124. [PubMed]
    1. Nummela, A Alberts, M Rjintjes, RP Luhtanen, P Rusko, H (1996). « Fiabilité et validité du test de course anaérobie maximale ».Revue Internationale de Médecine du Sport17 (S2) : S97–S102. [PubMed]
    1. Lericollais, R Gauthier, A Bessot, N Davenne, D (2010). "Évolution diurne des paramètres biomécaniques du cycle au cours d'un test Wingate de 60 s".Journal scandinave de médecine et de science du sport21: 1–9. [PubMed]
    1. Katch, VL Weltman, A Martin, R Gray, L (1977). « Caractéristiques de test optimales pour un travail anaérobie maximal sur le vélo ergomètre ».Recherche trimestrielle48: 319-327. [PubMed]
    1. Hazell, TJ MacPherson, REK Gravelle, BMR Lemon, PWR (2010). « Des séances d'entraînement par intervalles de 10 ou 30 s améliorent à la fois les performances aérobies et anaérobies ».Journal européen de physiologie appliquée110: 153-160. [PubMed]
    1. Greer, F McLean Graham, T.E. (1998). « Caféine, performances et métabolisme lors des tests d'effort répétés de Wingate ».Journal de physiologie appliquée85: 1502-1508. [PubMed]
    1. Ayalon, A Inbar, O Bar-Or, O (1974). « Relations entre les mesures de la force explosive et de la puissance anaérobie ». À Nelson, RC Morehouse, Californie.Biomécanique IV. Série internationale sur les sciences du sport 1. Baltimore : Presse universitaire. p. 572-577. [Relier]
    1. Evans, JA Quinney, HA (1981). « Détermination des paramètres de résistance pour les tests de puissance anaérobie ». Revue canadienne des sciences appliquées du sport 6: 53-56. [PubMed]
    1. Maud, P.J. et Shultz, B.B. (1998) Normes pour le test anaérobie de Wingate avec comparaison avec un autre test similaire. Res Q Exercice Sport,60 (2), p. 144-151. [PubMed]
    1. Teo, W., Newton, M.J., & McGuigan, M.R. (2011). Rythmes circadiens dans la performance physique : Implications pour l'adaptation hormonale et musculaire. Journal des sciences et de la médecine du sport, 10, p.600-606. [PubMed]
    1. Santos, EL Novaes, JS Reis, VM Giannella-Neto, A (2010). « Les faibles taux d'échantillonnage biaisent les résultats du test de Wingate ».Revue Internationale de Médecine du Sport31: 784-789. [PubMed]
    1. McArdle, W. Katch, F. Katch, V. (2007).Physiologie de l'exercice : énergie, nutrition et performance humaine (Sixième éd.). Baltimore, MD : Lippencott Williams & Wilkins. [Relier]

    A propos de l'auteur

    Owen Walker MSc CSCS
    Fondateur et directeur de Science for Sport

    Owen est le fondateur et directeur de Science for Sport. Il était auparavant le chef de l'Académie des sciences du sport et du conditionnement de la force au Cardiff City Football Club et un scientifique du sport par intérim pour la Fédération galloise. Il détient également une maîtrise en force et conditionnement et est un entraîneur de force et de conditionnement certifié par la NSCA.


    Un examen de la production d'hydrogène à partir de la digestion anaérobie

    Les progrès récents dans l'utilisation de l'hydrogène comme source de carburant alternative aux combustibles fossiles conventionnels ont conduit à la recherche d'un procédé renouvelable de production d'hydrogène. La plupart de l'hydrogène aujourd'hui est produit à partir d'hydrocarbures dans un processus qui libère également des niveaux élevés de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone, deux gaz à effet de serre établis en raison de ce moyen de production nocif, la recherche a été orientée vers l'utilisation de la digestion anaérobie pour produire des niveaux utiles d'hydrogène gazeux. Il a été démontré que les systèmes anaérobies produisent un biogaz qui est facilement utilisé dans la production d'énergie, mais certains processus peuvent être mis en œuvre pour augmenter encore les concentrations d'hydrogène. Ces processus comprennent l'inhibition des micro-organismes qui abaissent les concentrations d'hydrogène et l'élimination constante de l'hydrogène pour favoriser les bactéries productrices d'hydrogène. Des conceptions expérimentales et des applications à grande échelle ont montré que ce processus est écologiquement viable avec un potentiel économique limité mais prometteur. Avec une augmentation constante des besoins en hydrogène gazeux, la production durable d'hydrogène devient de plus en plus importante. Cette revue explore certaines des recherches récentes sur ce sujet et explore les processus derrière l'utilisation de la digestion anaérobie pour la production d'hydrogène.

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    Fermentation anaérobie à haut débit

    Ces dernières années, de nombreuses stratégies de microbioréacteurs ont été développées pour les fermentations aérobies. Les microbioréacteurs basés sur des colonnes à bulles, des réservoirs agités miniaturisés et de simples microplaques sont tous courants. Ces plates-formes de réaction facilitent les opérations à haut débit et, dans de nombreux cas, offrent également des informations sur les processus en ligne pour faire avancer les études de fermentation dans les systèmes et la biologie synthétique ainsi que dans le développement de bioprocédés.

    En revanche, très peu de techniques ont été développées pour les fermentations anaérobies. Les produits disponibles comprennent plusieurs dispositifs microfluidiques développés dans le milieu universitaire et des microplaques, qui sont couramment utilisés pour étudier les organismes et les processus anaérobies.

    Actuellement, des informations détaillées sur les processus de fermentation anaérobie ne peuvent être obtenues qu'à partir de fermentations dans des réacteurs à cuve agitée standard où une atmosphère anaérobie peut facilement être maintenue par gazage avec de l'azote ou du dioxyde de carbone. Des informations de processus critiques telles que le pH en ligne, la température et les concentrations de biomasse, de substrat et de produit hors ligne sont disponibles avec ces systèmes.

    Les bioraffineries ont ravivé l'intérêt pour les fermentations anaérobies, la production de biobutanol étant le principal moteur. Le biobutanol était historiquement produit en Clostridium acetobutylicum, cependant, la production de butanol a ensuite été convertie en un procédé pétrochimique. En raison de la volatilité du marché pétrolier, le procédé du biobutanol connaît un renouveau.

    Cet article discutera de l'adaptation de la technologie BioLector® de m2p-labs pour les fermentations anaérobies. BioLector est une plate-forme de fermentation à haut débit dotée de capacités de surveillance en ligne. Cette technologie fournit 48 ou 96 fermentations parallèles dans le format standard de microplaque, elle détecte également la biomasse en ligne et les protéines fluorescentes ainsi que les valeurs de pH et d'OD pendant la fermentation.

    Contrairement aux bioréacteurs à cuve agitée traditionnels, BioLector ne nécessite pas de procédures de nettoyage, de stérilisation ou d'étalonnage ni de raccords de tubes. Il a été démontré dans les cultures aérobies que les résultats des fermentations dans les microplaques BioLector sont facilement adaptables aux bioréacteurs à cuve agitée. On peut donc en déduire que les conditions de processus optimisées dans le BioLector peuvent être rapidement transférées vers des bioréacteurs à plus grande échelle.

    En général, les fermentations anaérobies peuvent déjà être réalisées avec la technologie de base BioLector en connectant de l'azote ou du dioxyde de carbone à la chambre d'incubation BioLector. L'inconvénient majeur de ce système simple est que des débits de gaz relativement importants de l'ordre de 100 ml/min sont nécessaires et que le gaz appliqué peut diffuser dans l'atmosphère du laboratoire.

    De plus, le transfert de la microplaque du banc anaérobie au BioLector présente un risque de contamination gazeuse et un retour aux conditions aérobies. Dans le cas des micro-organismes anaérobies stricts, cette situation est un critère éliminatoire. Pour contourner ce problème, la chambre anaérobie pour le BioLector a été développée.

    La chambre anaérobie scelle complètement la microplaque contre l'air ambiant. Un couvercle de chambre transparent amovible permet une visualisation aisée de la microplaque et des cultures et permet également d'accéder à la microplaque pendant la fermentation pour le prélèvement ou l'alimentation (Figure 1).


    Figure 1. La chambre anaérobie avec le multiparamètre Flowerplate® pour le BioLector

    L'utilisation de la chambre est démontrée dans Figure 2. Tout d'abord, la microplaque est remplie de milieux de culture et d'inoculum cellulaire sous un banc anaérobie. Pour éviter la contamination de la culture, la microplaque doit être recouverte d'une membrane stérile perméable aux gaz qui permet également les échanges gazeux avec l'atmosphère gazeuse de la chambre interne. Ensuite, la chambre anaérobie est placée sur la microplaque pour sceller la microplaque contre l'air ambiant.

    L'atmosphère anaérobie du banc anaérobie est enfermée dans la chambre anaérobie, qui assure le transfert de la microplaque vers le BioLector dans des conditions anaérobies. La chambre anaérobie est facilement fixée au BioLector en la plaçant dans les broches de centrage, par la suite les tubes de gaz préinstallés et rincés à l'azote dans le BioLector sont connectés aux connecteurs enfichables dans la chambre anaérobie. Après cela, le système est prêt à démarrer.

    Le débit de gaz dans la chambre anaérobie pendant le fonctionnement est contrôlé par un contrôleur de débit massique et est normalement réglé sur 2 ml/min, mais il peut également être modifié pour des débits de gaz plus élevés si nécessaire. L'azote ou le dioxyde de carbone peuvent être connectés au BioLector pour fournir les conditions anaérobies, d'autres mélanges de gaz applicables incluent un gaz microaérophile ou une atmosphère de gaz de synthèse.


    Figure 2. Principe d'application de la chambre anaérobie pour les études de fermentation

    Fermentations anaérobies de Clostridium acetobutylicum (ATCC 824) peut être facilité avec la chambre anaérobie. Une étude avec quatre milieux différents (d'origine complexe et synthétique) avec plusieurs répétitions a été réalisée dans le système de fermentation anaérobie à haut débit pour démontrer l'utilité de la chambre anaérobie. Les résultats sont présentés en figure 3.

    Une nette différence dans le comportement de croissance dans les quatre différents milieux appliqués peut être observée. La croissance sur le milieu complexe entraîne la croissance la plus rapide. Une phase de croissance diauxique typique est représentée, qui démontre la croissance sur le glucose et sur l'extrait de levure et les peptones dans la phase ultérieure. La valeur du pH sur le milieu complexe chute rapidement de 5,8 à 5,5 lors de la consommation de glucose. Les cultures sur les milieux synthétiques se sont développées plus lentement que dans le milieu complexe. Dans les milieux synthétiques, la croissance la plus rapide peut être observée sous glucose pur.

    Les cultures sur des milieux contenant du xylose présentent une croissance réduite à mesure que la concentration de xylose augmente. La culture sur glucose pur montre une croissance diauxique importante avec une longue deuxième phase de croissance jusqu'à 60 heures et avec la concentration de biomasse la plus élevée obtenue dans cette expérience.

    La deuxième phase de croissance est le plus souvent réalisée sur des acides organiques qui ont été produits sur le substrat initial de glucose. Cette hypothèse est étayée par une forte diminution de la valeur du pH du milieu glucose pur. Les deux cultures sur des milieux contenant du xylose ont également démontré une croissance diauxique mais avec seulement une courte deuxième phase de croissance. Surprisingly, the pH values of the xylose-containing media decreased only slightly, thus, the acidification in this media is not prominent. This could explain the catabolite repression of Clostridium acetobutylicum on xylose-containing media that has been reported in the literature.

    This small experiment confirmed the utility of using BioLector for anaerobic fermentations. This new technology can dramatically reduce complexity and effort in fermentation studies on anaerobic microorganisms by replacing large numbers of experiments in stirred tank bioreactors and shake flasks. In addition to making it possible to study a large number of clones or media in a high-throughput manner, the system also simultaneously provides detailed kinetic data on biomass growth and pH value by noninvasive online measurements, the combination of these capabilities is currently not commonplace in traditional bioreactors.


    Figure 3. Results from anaerobic fermentations with Clostridium acetobutylicum at 1 mL scale with online monitoring

    The online measurement data provided by BioLector allows researchers in systems and synthetic biology to easily compare growth rates and growth phases of different clones or different media. As a result, it is now possible to screen whole libraries of anaerobic clones and evaluate their growth performance on different substrates.


    Fond

    An efficient anaerobic digestion (AD) of organic matter is a result of a complex microbial interaction inside a bioreactor. For the high-rate anaerobic digestion of a feedstock, an up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) is a common choice. The superior performance of this reactor is due to the particular organization of microorganisms into spherical granular structures. The process of granulation was first noticed and documented in the early 1980s [1, 2] and since then a number of anaerobic granulation theories have been presented. The main reasoning for the granulation en soi is the up-flow velocity inside sludge bed of a UASB reactor. Microbial cells moving up with the flow of the feed tend to stick to the other microbial cells. Such sticking behavior prevents a washout of the microbial inoculum from a reactor since the outlet for the digested feed is located in the top of the reactor [3, 4] (see Fig. 1). The most widely accepted theory states that granulation starts with a formation of a future granule’s core, comprised of filamentous methanogenic bacteria Methanothrix, together with Méthanosarcina, which secrete extracellular polymers (ECP) [5–7]. The surface charge of this core changes and become attractive for the oppositely charged anaerobic bacteria that are present in the dispersed inoculum of a UASB rector [8–10]. Chemo-attractance of other bacteria towards ECPs and substrate around the granule core may also play a major role in the further aggregation and formation of mature granules [11, 12]. Despite these possible explanations of the granulation process, there is still no agreement on which of the possible theories correctly explain this most important and crucial role of granulation. The key factors of granulation are still to be determined, whether they are physical, biochemical or a combination of physicochemical properties of the cells and the way the organic matter transforms over space and time.

    Reactor scale model. une initial random distribution of two types of cells in a UASB-like environment b formation of cell aggregates due to the mechanical forces, mutual adhesion and random agitation in the UASB-like environment

    An effective means to get a better understanding the granulation process is through the construction of a computational granulation model. This model must incorporate testing of different key granulation factors. There are already some granulation models available in the literature, but they do not describe a process of de novo granulation and only describe the kinetics of anaerobic digestion with an already mature granular consortia. For example, one of the earliest models [13] assumes a layered granule structure with a homogeneous distribution of microbial groups from the very beginning of the simulation. Authors describe the kinetics of substrate transformation in a mature granule that reached a steady state. Using the same assumption [14] they successfully predicted the substrate distribution inside a granule, based on diffusivity gradient inside a biomass. Authors of another study [15] took the substrate kinetics in the granule one step further, incorporating behavior of granular agglomerates into the operation predictions of the whole UASB reactor. The mass of granules in a reactor, rates of granule decline and general bacterial growth kinetics were used as a basis for the model. In another study [16], researchers have applied a cellular automata theory, developed by Wimpenny et al., [17], to model granulation during anaerobic digestion. However, authors assumed a homogeneous layered structure of a granule and obtained calculated values of substrate utilization rates that do not agree with the experimental data they used as a reference.

    A commonly applied assumption of a homogenous-layered structure of anaerobic granule does not conform with experimental data. In particular, data suggests a spatially organized granule containing a mixed composition of bacterial groups inside the granule. In models lacking this property, there is no strict compartmentalization of trophic groups, like methanogens and acidogens, in the core and outer layer, respectively. Strict anaerobes, like methanogens, can also be found in the outer layer of the granule, as visualized with fluorescent probing experiments and scanning electron microscopy [18–21]. A non-homogeneous bacterial distribution is investigated in a model described in [22]. However, the study does not address the process of granulation itself, and an entirely formed granule is employed as an initial condition and seed of a model. The model, therefore, predicts a mature granule’s further development, growth, and formation of an inert core insie it.

    An enormous amount of knowledge has been developed on predicting the rates of anaerobic digestion in UASB reactors with mature granules. However, these models are not complete and do not represent the actual input for large scale applications, specifically those of the widely accepted biochemical model of the anaerobic digestion process (ADM1) [23]. The most recent review of a current status of ADM1 clearly states the need to thoroughly address the application of ADM1 to various types of anaerobic reactors, UASB in particular. Thus, a complete and trustful model of anaerobic digestion in UASB must take into account both granulation in general and initial de novo granulation [24]. Knowledge of the critical parameters facilitating de novo granule formation will aid in robust UASB reactor operation and production of increased methane yields with high organic matter transformation rates.

    To model de novo anaerobic granulation, a number of computational platforms has been reviewed to find the best fit. The cellular Potts model was a pioneer [25] in biofilm modeling and has been extensively implemented in modeling of biofilms of the eukaryotic origin [26, 27]. To effectively apply this approach to the microbial liquid-based environment (thus without influence of attachment/detachment to the substratum), this model needs a lot of improvements, to prevent formation of artifacts [28, 29]. To model de novo anaerobic granulation, a number of computational platforms has been reviewed to find the best fit. The cellular Potts model was a pioneer [25] in biofilm modeling and has been extensively implemented in modeling of biofilms of the eukaryotic origin [26, 27]. To effectively apply this approach to the microbial liquid-based environment (thus without influence of attachment/detachment to the substratum), this model needs a lot of improvements, to prevent formation of artifacts [28, 29]. A simulator framework cDynoMics [30, 31], on the other hand, is more quantitative and is very flexible to adjust for modeling of bacterial aggregates. This framework has built-in functions to specify all the necessary substrate limiting kinetics for cell growth and biomass decay due to the starvation, which are absent in other previously described platforms. Absence of a solid substratum in the anaerobic digestion system excludes need for the use of attractive van der Waals force in the model, unlike in other reported biofilm developing tools [32].

    A model of de novo granulation proposed in this paper addresses some of the key aspects that influence aggregation of microbial biomass into defined granular structures. Those key elements include: initial concentrations of the substrate used as a feedstock for anaerobic digestion ratio of methanogenic and acidogenic cells at the start of the reactor the role of chemotactic attractions and cell-to-cell adhesion properties. This study addresses all these factors. Additionally, an extensive computational search of the initial parameter values is made to determine an optimal initial combination that yields the highest start-up methane production rates.


    How does anaerobic burst-flight performance scale with mass? - La biologie

    Recent years have seen a phenomenal increase in the use of MALDI-TOF mass spectrometry (MALDI-TOF MS) in microbiology laboratories. The introduction of this technology to microbiology has been a major success and MALDI-TOF MS is now used for routine diagnostic or diagnostic-like purposes in clinic, veterinary, pharma and food microbiology laboratories. It has also evolved into a powerful tool for the analysis of organisms in the environment and for research into microbial communities. The throughput capabilities, accuracy and low running costs of a MALDI-TOF MS system enable analyses at a scale which was not possible until recently.

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    Voir la vidéo: rafale sur the USS Enterprise (Décembre 2022).