François-Denis Desgorces1,2*, Geoffroy Berthelot1, Nour El Helou1, Valérie Thibault1, Marion Guillaume1, Muriel Tafflet3, Olivier Hermine1,2,4, Jean-François Toussaint1,2,5
1 IRMES, Institut de Recherche Médicale et d’Epidémiologie du Sport, INSEP, Paris, France,
2 Université Paris Descartes, Paris, France,
3 INSERM U909, université Paris Descartes, IFR 69 Paris Sud Université, Villejuif, France,
4 Service d’hématologie Hôpital Necker and CNRS UMR 8147, Paris, France,
5 CIMS, Hoˆ tel-Dieu, Assistance Publique - Hôpitaux de Paris, Paris, France


Citation: Desgorces F-D, Berthelot G, El Helou N, Thibault V, Guillaume M, et al. (2008) From Oxford to Hawaii Ecophysiological Barriers Limit Human Progression in Ten Sport Monuments. PLoS ONE 3(11): e3653. doi:10.1371/journal.pone.0003653


Copyright: 2008 Desgorces et al. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

* E-mail: irmes@insep.fr



ABSTRACT

Afin de comprendre les déterminants et les tendances de l’évolution des performances humaines, nous avons analysé 10 épreuves de plein air parmi les plus anciennes et les plus populaires de l’histoire du sport. Les meilleures performances de la course Oxford Cambridge à l’aviron (depuis 1836), la traversée de la manche à la nage (1875), le record de l’heure (1930), la course de patinage de vitesse des onze villes Elfstedentocht (1909), la course de ski de fond Vasaloppet (1922), le record de ski de vitesse (km lancé) (1930), la descente de la Streif à Kitzbühel (1947), le record de la traversée de l'Atlantique Nord à la voile, dans les deux sens, est-ouest et ouest-est (1960), et la course de triathlon de l’Ironman à Hawai (1978). Tous suivent un même modèle d’évolution exponentielle décroissant par série (r² = 0.95±0.07). Les épreuves les plus anciennes présentent des progressions plus élevées au cours de leur première phase. Les limites asymptotiques de la performance prévues par le modèle pourraient être atteintes dans quarante ans (2049±32 y). La progression pourrait être prolongée dans des disciplines qui reposent une forte composante technologique telles que la voile et le cyclisme. La progression humaine dans les sports de plein air tend vers des limites asymptotiques en fonction de paramètres physiologiques et environnementaux et peut temporairement bénéficier de progrès technologiques.



INTRODUCTION

Les records du monde (RM) mettent en lumière la progression de la performance humaine. Notre groupe a récemment analysé les RM à partir de 5 disciplines olympiques quantifiables et montré un ralentissement majeur dans la progression des RM en utilisant un modèle exponentiel décroissant en série [1]. Les compétitions d'athlétisme, d'haltérophilie ou de natation se déroulent dans un contexte où les facteurs environnementaux sont contrôlés et où l’influence des capacités physiologiques sur la performance est majeure ; alors que les sports de plein air sont généralement considérés comme plus influencés par les conditions environnementales, les contraintes matérielles ou techniques. Par conséquent, les épreuves de plein air parmi les plus anciennes et les plus populaires ont été ignorées par les précédentes études sur l’analyse de l’évolution de la performance humaine [1,2].
La performance dépend de variables d’entrainement (liés à la physiologie, la psychologie, la biomécanique ou la tactique) et d'autres facteurs non controlés par l'athlète (génétique, environnement, conditions climatiques) [3]. Les facteurs environnementaux peuvent modifier les résultats selon les réglementations de la discipline, le milieu de déplacement (neige, glace, eau, air), le type de mouvement (course, vélo, ski, natation) ou la durée de l'événement. Ainsi, la Fédération Internationale des Sociétés d'Aviron, ainsi que d'autres fédérations, ne fournit pas de RM, même si les meilleurs temps sont disponibles [4]. Nous avons émis l'hypothèse que l'évolution des performances des épreuves sportives de plein air suivrait également un modèle exponentiel décroissant en série.



MATERIEL ET METHODES

Dix épreuves de plein air parmi les plus populaires dans le monde, réalisées dans des sports non motorisés et présentant de grandes variations dans la durée, la longévité, les conditions de compétition et la fréquence ont été analysés (Table 1). La course d'aviron Oxford-Cambridge est courue depuis 1829 avec un parcours inchangé contre le courant de la Tamise de ''Putney à Mortlake'' depuis 1845 [5,6]. La Vasaloppet est une course suédoise de ski de fond de longue distance qui se court le premier dimanche de Mars entre le village de Sälen et la ville de Mora sur 90 km [6,7]. Depuis 1909, la course de patinage de vitesse « Elfstedentocht » a lieu dans les canaux de la Friese Néerlandaise quand la glace gèle suffisamment sur les 200 km du parcours autour de Leeuwarden [6,8]. Le record de la traversée de l’atlantique ouest-est du phare Ambrose à la sortie de New-York au Cap Lizard (5417 km) a été d’abord établi par l'équipe de Charlie Barr en 1905, mais le record n’a été amélioré que depuis quelques décennies par Eric Tabarly [6,9]. En revanche, la plus ancienne course transocéanique en solitaire est la traversée vers l'ouest, qui part de Plymouth tous les quatre ans vers la Nouvelle-Angleterre (route orthodromique: 5.185 km) dont le premier vainqueur fut Sir Francis Chichester en 1960 [6,9]. Le record de ski de vitesse est établi depuis 1930 dans divers lieux (Portillo, Chili ; Silverton, Etats-Unis; Les Arcs, France) et déterminé sur le passage d’une zone de 100 mètres [6,10]. Le record de l’heure en cyclisme est pris en compte depuis 1876 (à Paris) et enregistré par l'Union cycliste internationale (UCI) dans une version classique et par l'International Human Powered Vehicle Association (IHPVA) qui accepte l’utilisation de tout type de vélo [6,11,12]. La descente à ski de la Streif (Kitzbühel, Autriche) est longue de 3312 m avec une pente moyenne de 27% ; elle a lieu depuis 1930 et fait partie de la coupe du monde de ski depuis 1967 [6,13]. L'Ironman d'Hawaï est le premier triathlon moderne longue distance (3,86 km de nage, 180,2 km de vélo et 42,2 km course à pied). A partir de 1978, il est considéré chaque année comme le championnat du monde de triathlon longue distance [6,14]. La traversée de la Manche à la nage est généralement réalisée entre la plage de Shakespeare (Douvres, Angleterre) et le Cap Gris Nez (France) sur 33,8 km; encourue depuis 1875, elle a été réglementée depuis 1927 [6,15]. Pour toutes ces épreuves, seules les meilleures performances (MP) (l'équivalent du record de course) sont incluses dans l'analyse [5-15].

Description de la fonction et prévision
    Nous avons effectué une modélisation des MP comme indiqué précédemment [1]: l’évolution des performances pour chaque épreuve ont été modélisée par la fonction suivante: yj (t) =∆BP exp(- aj.t9)+b; où ∆BP= BPi,j - BPf,j est un indicateur de tendance globale de l’épreuve (croissante, décroissante) pour la période j étudiée, BPi,j et BPf,j sont respectivement la première et la dernière valeur de MP; aj est le facteur positif de courbure estimé par la régression non linéaire; b est la limite asymptotique.
    Les ratios β (étendue de progression depuis le début de l'épreuve) et β’ (étendue de progression actuelle) ont été calculés pour décrire l'évolution de l’ensemble des épreuves en utilisant l'équation suivante: β = (BPi / b) x 100 et β’ = (BPf / b) x 100.

    Pour chaque épreuve, la série de performance est modélisée sur des périodes successives. Une période est une succession d’années définie par un groupe de MP consécutives, à la suite d'une rupture de pente. Un algorithme basé sur l’estimation du meilleur r² est utilisé pour diviser les séries de MP en périodes. L'algorithme est initialisé par les trois premières valeurs de MP. Les périodes sont ajustées itérativement par l'ajout du point de MP en utilisant l’équation [2] présenté ci-dessus. Pour chaque ajustement, les maximums locaux des r² obtenus fournissent les ruptures de pente initiant le début d'une nouvelle période. La durée minimum de la période est de 6 ans et le nombre minimum de MP est de trois par période.
    Au cours de la période j, les paramètres aj et bj ont été estimés à l'aide de l'algorithme de Levenberg-Marquardt (LMA) [16] dans le cadre d’une régression non linéaire par la méthode des moindres carrés pour ajuster le modèle aux MP. Les coefficients de l'équation de prédiction ont été calculés pour la dernière période de chaque épreuve par le biais du LMA avec un intervalle de crédibilité [17]. Le résultat a été utilisé pour estimer l'année t correspondant à la limite de 99,95 % (1/2000) de la valeur asymptotique. Les données sont exprimées en moyenne ± écart type.



RESULTATS

Les données recueillies donnent une moyenne de MP de 17.6 ±7.1 par épreuve. Les épreuves présentent une grande variabilité dans l’étendue de leur progression (β= 46.27±13.5%). La moyenne de l'atteinte actuelle des performances asymptotiques β’ est de 94.6±7.%2 avec 7 épreuves au dessus de 97%. Les épreuves avec coefficients β et β’ les plus faibles sont : les records de voile transatlantique, la Streif et le record de vitesse à ski, et le record de l’heure IHPVA en cyclisme (réunis dans le groupe 1: β1 = 37.5±9.5%; β’1 = 90.4±8.8%), tandis que le groupe 2 des épreuves sportives: Oxford-Cambridge, Vasaloppet, Elfstedentocht, Ironman, la traversée de la Manche et le record de l’heure cycliste présente des valeurs plus élevées (β2 = 53.5612.1%; β’2 = 98.063.2%).
Le modèle ajuste les périodes de progression, en fonction de la longévité des épreuves, avec une grande précision (r² = 0.95±0.07). Une première période de progression (XIXe et début du XXe siècle) a été modélisé pour des épreuves plus anciennes (Oxford-Cambridge, Vasaloppet, la vitesse record de ski, le vélo ICU: r² = 0.97±0.03, a = 1.93±0.96 et β’ = 57.6±8.9% ; Figure 1). Une deuxième période de progression a commencé au début du XXème siècle pour sept épreuves (les quatre précédentes ainsi que la traversée de la manche, Elfstedentocht (Figure 2) et le record IHPVA: r² = 0.95±0.03, a = 0.97±0.45, β’ = 73.15±16.8%). Les courbes modélisées de la dernière période de l'ensemble des 10 épreuves ont commencé au milieu du XXème siècle (r²= 0.95±0.04, a = 1.28±0.51, β’ = 94.5±7.2%). La progression des records des traversées transatlantiques, de l'Ironman d'Hawaï et de la Streif sont modélisés par une courbe monoexponentielle (Figure 3). Les courbes de la progression du record de l’heure en vélo en fonction de la spécificité des règles (ICU et IHPVA) sont comparées dans la Figure 4. L'année où la MP moyenne sera établi à 99,95% de leur valeur asymptotique est calculée en 2049±32.1 ans (tableau 2).



DISCUSSION

Notre étude est la première à modéliser l'évolution des performances des sports de plein air, influencées par des facteurs physiologiques, technologiques et environnementaux. Bien que les épreuves étudiées diffèrent largement en termes de longévité, durée et environnement physique, le modèle exponentiel décroissant en série décrit un schéma évolutif commun. Les MP des épreuves plus anciennes suivent une progression avec des coefficients de courbure élevés suggérant la même amélioration rapide dans la première phase et un profil composé de deux ou trois périodes au cours des XIXème et XXème siècles. En outre, le paramètre initial β mesuré ici est inférieur à la valeur précédemment calculé pour les sports olympiques (46% contre 60%), ce qui peut être dû au fait que nous avons pris en compte tous les records à partir du jour J0, alors que les compétitions nationales d'athlétisme ou de patinage de vitesse avaient débuté bien avant la première Olympiade [1]. Cela souligne le statut particulier de ces monuments du sport dans leur propre discipline.

Robert Fogel [18] a utilisé le terme « d’évolution techno-physiologique » pour décrire la santé humaine et les gains anthropométriques au cours des trois derniers siècles. Des améliorations similaires ont eu lieu durant le XXème siècle (amélioration de l'entraînement physique, nombre plus élevé des participants, pratiques alimentaires, connaissances biologiques et progrès de la médecine) dans les sports comme l'aviron [19], le ski de fond [20,21], le patinage de vitesse [22] ou le cyclisme [23], qui sont des sports à forte exigence aérobie. En effet, ces épreuves présentent les mêmes schémas de progression (coefficients a et b) que ceux obtenus dans les disciplines olympiques effectuées dans un environnement contrôlé et quantifiées par les records du monde [1].
Les prévisions de la limite asymptotique des MP depuis le modèle exponentiel en série suggère que la réalisation des limites de l'homme pourrait se produire au cours du XXIème siècle. En outre, notre modèle suggère que les limites seront rapidement atteintes pour les épreuves uniquement dépendantes des capacités physiologiques. Ainsi, les améliorations attendues de performance au cours du siècle prochain à Oxford-Cambridge, Vasaloppet et Elfstedentocht sont inférieures à 2%. La plus récente de ces épreuves, l'Ironman d'Hawaï, semble déjà avoir atteint sa valeur asymptotique (valeur β’: 99,64%), même si elle ne se court que depuis trois décennies seulement.

L’évolution de la performance de cette épreuve pourrait être fondée sur sa popularité croissante et rapide ainsi que sur les bénéfices déjà obtenus dans les trois disciplines du triathlon (natation, vélo, course).
Ces résultats, comparés à ceux publiés pour les records du monde [1], suggèrent que l'environnement et les conditions climatiques, bien qu’influençant la progression de la performance année par année, ne modifient pas la tendance séculaire vers la réalisation d’une performance maximale.

La vitesse maximale du bateau dans les courses transatlantiques dépend largement des conditions environnementales (la vitesse et le nombre des dépressions de l'Atlantique Nord) bien évidemment plus que de la puissance physique individuelle. Des outils ont été développés pour contrôler, au moins partiellement, les facteurs environnementaux au bénéfice de l'athlète: les équipements de navigation permettant la transmission des informations à destination ou en provenance du bateau, afin de mieux profiter d'une dépression majeure ou du plus petit vent. Une meilleure connaissance et le calcul en ligne permettent aussi une meilleure prise en compte des courants marins. En outre, certaines épreuves (ski de vitesse, voile transatlantique vers l'est, record de l'heure en cyclisme) peuvent être organisées uniquement lorsque les conditions météorologiques optimales sont réunies en vue d'améliorer la probabilité de battre un record. Le choix de la fréquence et de l'emplacement d’une épreuve peut éventuellement influencer la survenue des MP en jouant sur les paramètres physiques et climatiques.
D’un autre côté, l'incapacité à organiser la course Elfstedentocht en raison d’hivers trop chauds entre 1986 et 1997, et depuis 1998, montre aussi la dépendance majeure de ces compétitions aux conditions climatiques [8]. Par conséquent, la progression des performances sur la course Elfstedentocht ne pouvait pas bénéficier de la technologie des nouveaux patins qui a pourtant amélioré les records du monde depuis 1998 [1,24]. Dans un lieu et à une date pré-déterminés, Oxford bat Cambridge en 2008 avec le temps le moins bon depuis 1947. Par ailleurs, en raison de conditions de vent difficiles, le bateau de Cambridge a coulé en 1978 [5]. En 1987, le temps à l'arrivée de la plus froide Vasaloppet (-30°C) était de 16 minutes plus long que le record établi l'année précédente. D'autre part, en raison de conditions météorologiques extrêmement douces, la course a été annulée en 1990.

Toutefois, comme les calculs intègrent toutes les performances y compris celles réalisées en ces conditions difficiles, les influences particulières environnementales et climatiques ne changent pas le modèle général de l'évolution des performances.

Nos résultats démontrent que des taux de progression plus élevés restent possibles quand les règles autorisent un plus grand impact de la technologie. Les records de voile présentent les coefficients β et β’ les plus faibles par rapport à l'aviron, le ski de fond, le triathlon ou le record cycliste de l'UCI (groupe 2). Le record de l’heure en cyclisme est la meilleure preuve de l'influence de la technologie: la limite du record « physiologique » de l’UCI est presque atteint, à environ 50 km/h, lors de l'utilisation d'un vélo similaire à celui d’Eddy Merckx, mais la limite prédite est beaucoup plus élevée pour la valeur « technologique » IHPVA (91.9 ± 3.58 km/h) autorisant des conditions aérodynamiques largement optimisées. Le temps pour atteindre les limites de ces épreuves « technologiques » pourrait être plus important que pour des épreuves fortement influencées par les capacités physiologiques (2030 pour le groupe 2 ; 2075 pour le groupe 1). De la même façon que la technologie continue de modifier les bateaux transatlantiques dans les records (taille, maitre-bau et classe ; coque et type de quille, surface de voile), le matériel améliore les records de ski (longueur du ski et composition, aérodynamisme des casques, des combinaisons en latex ou en polyuréthane) [9,10].
Bien que des changements techno-physiologiques permettent une amélioration de l'efficacité de propulsion, ils restent sous le contrôle des règles sportives: la conception des avirons utilise la fibre de carbone depuis 1972 et des rames plus larges augmentent l’efficacité de propulsion après 1991. Cependant la FISA interdit les bateaux avec portants coulissants qui augmentent considérablement la vitesse, afin de limiter l'influence d’une technologie trop coûteuse [4]. Ce choix n’a pas été celui de la fédération internationale de natation pour les combinaisons des nageurs, donnant lieu à une autre compétition d’ordre technologique et commerciale.
Les politiques anti-dopage sont élaborées pour limiter les impacts pharmacologiques et les effets sanitaires [25], mais les progrès technologiques sont acceptés dans la limite des règles et de l'identité de l’épreuve (poids minimum pour chaque classe de bateau en aviron; Vasaloppet réalisées dans un style classique, traversée de la manche avec combinaison et bonnet sans protection thermique ou capacité de flottabilité) [4,7,15]. Inversement, le record de ski de vitesse, l'une des épreuves les plus rapides non motorisées, semble avoir atteint ses limites après 70 ans d’améliorations technologiques sous d’importantes contraintes environnementales (coefficient de pénétration de l'air, qualité de neige, pente).
Ainsi, si les fédérations internationales, poussées par la demande du public et la couverture des médias, veulent développer le sport sur la base de la performance pure, avec la fascination de records nouvellement établis, leur besoin de technologie sera en constante augmentation. La natation est la démonstration récente d’une telle évolution avec l'introduction de combinaisons de natation en 1999 et de sa deuxième génération en 2008, qui permettent un gain de 1 à 2% de vitesse [26]. Toutefois, l’avenir et la popularité de ces monuments du sport dépendront plus de leur histoire, de leur identité et de leur scénarisation futures que de l’augmentation continuelle de la performance.
La présente étude suggère donc: i) l'universalité du modèle exponentiel en série pour décrire l'évolution de performances qu’elles soient très courtes (1,4 s) ou très longues (400 heures ; soit une différences de six ordres de grandeur) ; ii) une loi commune de progression dans la plupart des sports au regard des limites éco-physiologiques, iii) des contraintes physiologiques majeures dans le modèle de progression des records d'aviron, de ski de fond, de natation, de triathlon et de cyclisme UCI; iv) l’innovation technique comme unique moyen de repousser les limites physiologiques de l'homme soumis aux contraintes environnementales, mais avec un inconvénient majeur: une dépendance constamment croissante à ces nouvelles technologies.

Dans un processus accéléré au cours des XIXème et XXème siècles, les performances sportives ont profité d'une voie de progression techno-physiologique [18], mais vont bientôt atteindre leurs limites. Les contraintes environnementales ajoutent maintenant de nouveaux obstacles à leur développement. La progression de la performance humaine au cours du XXIème siècle comptera principalement sur des améliorations technologiques, mais avec une nouvelle dépendance énergétique et économique.


Remerciements Nous remercions le Dr Robin Choudhury pour sa relecture attentive et les équipes de l’INSEP pour leur soutien constant.


Références
1. Berthelot G, Thibault V, Tafflet M, Escolano S, El Helou N, et al. (2008) The citius end: world records progression announces the completion of a brief ultraphysiological quest. PloS One 3: e1552.
2. Nevill AM, Whyte GP (2005) Are there limits to running World Records? Med Sci Sports Exerc 37: 1785–1788.
3. Smith DJ (2003) A framework for understanding the training process leading to elite performance. Sports Med 33: 1103–1126.
4. The international rowing federation website. Available: http://www.worldrowing.com.
5. The Oxford Cambridge Boat Race website. Available: http://www.theboatrace.org.
6. Wikipedia free encyclopedia website. Available: http://en.wikipedia.org.
7. The Vasaloppet website. Available: http://www.vasaloppet.se.
8. Elfstedentocht website. Available: http://www.drf.nl/sport/11steden.
9. World Sailing Speed Record Council website. Available: http://www.sailspeedrecords.com. 10. France ski de vitesse website. Available: http://www.kl-France.com.
11. Union cycliste internationale website. Available: http://www.uci.ch.
12. International Human Powered Vehicle Association website. Available: http:// www.ihpva.org.
13. Kitzbüel Hahnenkamm website. Available: http://www.hahnenkamm.com.
14. Ironman Hawaii website. Available: http://www.honuhalfironman.com.
15. Channel Swimming Association website. Available: http://www.channelswimmingassociation.com.
16. More JJ (1977) The Levenberg-Marquardt algorithm: implementation and theory, in Numerical Analysis. Proceedings of the 1977 Dundee conference on numerical analysis. In: Watson GA, ed. pp 105–116.
17. Mosegaard K, Malcolm S (2002) Monte Carlo analysis of inverse problems. Invers Probl 18: 29–54.
18. Fogel R (2003) “The escape from premature death and hunger’’. Cambridge: Cambridge university press.
19. Fiskestrand A, Seiler KS (2004) Training and performance characteristics among Norwegian international rowers 1970–2001. Scand J Med Sci Sports 14: 303–10.
20. Eisenman PA, Johnson SC, Bainbridge CN, Zupan MF (1989) Applied physiology of cross-country skiing. Sports Med 8: 67–79.
21. Rusko HK (1992) Development of aerobic power in relation to age and training in cross-country skiers. Med Sci Sports Exerc 24: 1040–7.
22. Van Ingen Schenau GJ, de Koning JJ, de Groot G (1994) Optimisation of sprinting performance in running, cycling and speed skating. Sports Med 17: 259–75.
23. Lucia A, Hoyos J, Chicharro JL (2001) Physiology of professional road cycling. Sports Med 31: 325–37.
24. De Koning JJ, Houdjik H, De Groot G, Bobbert MF (2000) From biomechanical theory to application in top sports: the klapskate story. Biomech 33: 1225–1229.
25. Kayser B, Mauron A, Miah A (2007) Current anti-doping policy: a critical appraisal. BMC Med Ethics 8: 2.
26. Len S, Berthelot G, Toussaint JF (2008) La performance sportive Française à Pékin: Quels constats ? Quels enseignements ? Quelles perspectives ? In: INSEP, ed. The Beijing Human Performance Report. Bilan des performances a` Pékin. Paris. In press.