Le bilan thermique du corps humain

Le bilan thermique du corps

Le bilan thermique du corps

 

On a déjà tous fait ce constat : quand on est dans un wagon de train ou de métro et qu’il y a beaucoup de monde, la température ressentie dans le wagon augmente. Ce constat nous amène à comprendre qu’un corps humain émet de la chaleur sous forme de radiation et particulièrement sous forme d’infra-rouge. C’est ce qu’on appelle de la thermolyse (lyse : détruire / partir ; thermo : température). 

 

I. La notion d’endotherme

 

Les humains ont la particularité (comme les autres mammifères ou les oiseaux par exemple) d’être des endothermes (endo : à l’intérieur ; therme : la température). Cela signifie qu’il y a tout un ensemble de mécanismes qui permettent de maintenir la température corporelle autour d’une valeur consigne à peu près de 36,5°C à 37,8°C. Nous sommes endothermes ou homéothermes.

Cette endothermie est permise par des mécanismes qui produisent de la température (thermogenèse). Ceci est couteux énergétiquement, car on dépense de l’énergie pour produire notre propre chaleur comparativement à certains amphibiens comme les grenouilles, qui elles, sont ectothermes (leur corps est à la température de leur environnement, donc elles dépensent beaucoup moins d’énergie que nous). 

D’un point de vue du métabolisme, même si c’est couteux énergétiquement, il y a des avantages. Cela permet par exemple aux endothermes de voler ou courir. Concernant le fonctionnement de nos enzymes (les petites protéines qui participent au métabolisme de nos cellules), on favorise leur travail, leur action (la catalyse) en produisant à l’intérieur de chaque cellule une température très proche de 37°C qui est leur optimum de fonctionnement.

 

II. Mécanismes qui permettent la thermogenèse

 

Comme nous sommes des endothermes et que nous dépensons beaucoup d’énergie à conserver une température autour d’une valeur seuil, il faut manger, car la thermogenèse (production de chaleur) est permise essentiellement par l’alimentation. Ainsi, on mange 3 à 4 fois par jour, on approvisionne nos cellules en glucides, lipides et protides contenus dans nos aliments. Les cellules produisent de l’énergie, surtout par voie respiratoire à raison d’un rendement d’environ 30-40 % et le reste est sous forme de chaleur. Cette chaleur est ensuite portée par notre circulation sanguine (dit fluide caloporteur) : il porte la chaleur.

Les humains ont un avantage : le cœur bat rapidement et permet un débit sanguin de 5L/min (soit 1 minute pour le sang de faire le tour). Cela permet d’évacuer la chaleur à l’ensemble des organes. Nous avons des petites usines productrices de chaleur (on considère que ce sont surtout les muscles, les viscères et le système nerveux central qui sont producteurs de chaleur) qui participent à la thermogenèse.

La fermentation est un processus métabolique qui produit de l’énergie en petite quantité (car c’est une oxydation incomplète des molécules que l’on a mangées) qui se fait sans dioxygène. Cette fermentation produit de l’énergie, même si le rendement est plus faible que la respiration, mais il produit aussi de la chaleur.

Lorsque nous sommes en mouvement, nos muscles travaillent, leur rendement n’est pas de 100 % et là encore il y a une perte sous forme de chaleur.

Le frisson thermique : lorsqu’on a la chair de poule, cela est dû à un réflexe horripilateur. Lorsqu’on a froid, le muscle se contracte et le poil se redresse pour créer une petite couche isolante qui permet momentanément de diminuer les pertes de température.

 

III. Processus de perte de chaleur (thermolyse)

 

Le corps humain est en équilibre autour d’une valeur consigne de 37°C, on parle d’homéostat dans le cas d’une thermorégulation, car nous perdons constamment de la chaleur.

 

A. Radiation de rayonnement

Le principal processus de perte de chaleur est la radiation de rayonnement. Quand on se trouve dans une pièce avec beaucoup d’individus, on constate une augmentation de la température liée directement au paramètre chaleur. On rayonne dans l’infrarouge. On considère que la perte de chaleur par un organisme humain est d’à peu près 60 %.

 

B. Evaporation

Un autre facteur de perte de chaleur est l’évaporation (à peu près à 22 %). Par exemple, à la surface de la peau se trouvent des petits pores qui vont permettre l’évacuation de la sueur grâce aux glandes sudoripares. La sueur est de l’eau à l’état liquide qui passe à l’état gazeux au contact avec l’air. Cette évaporation (ou vaporisation) est une perte de chaleur qu’on appelle la chaleur latente de vaporisation. Donc quand on transpire, on perd aussi de la chaleur.

On peut aussi parler d’évaporation lorsqu’on respire. L’intérieur des poumons est tapissé de mucus. Il s’agit d’un état liquide de l’eau, et à chaque expiration, on le constate en hiver, il y a de la buée lorsqu’on expire : c’est l’eau qui passe à l’état gazeux. Là encore, il y a une perte de chaleur non négligeable. En moyenne, on considère que c’est environ 22 % des pertes de chaleur.

 

C. Convection 

Un autre mécanisme que l’on peut citer est la convection. Par exemple, dans un milieu avec du vent, celui-ci va emporter une partie de la chaleur émise par convection. La moyenne est de 15 % mais dans un endroit très venteux, on peut perdre encore plus de chaleur. Si l’on est dans un milieu où il fait 5°C et qu’il y a beaucoup de vent, on a l’impression qu’il fait plus froid que 5°C car on perd beaucoup de chaleur par convection. D’où l’expression température ressentie qui est différente de la température réelle.

 

D. Conduction

Un dernier mode de perte de chaleur : la conduction. La conduction est le contact direct de l’organisme avec un élément extérieur. Par exemple avec le sol si on marche pieds nus. On perd de la chaleur au profit du support sur lequel on marche.

Remarque : si on est dans une pièce avec des meubles à température ambiante, on peut s’amuser à toucher une table en marbre ou en bois et on peut avoir l’impression que la table en marbre est plus froide que la table en bois. Car cette table en marbre est un support lisse. En la touchant, on conduit beaucoup plus de chaleur vers le support lisse qui en absorbe plus que la table en bois qui est plus rugueuse, sur laquelle on perd moins de chaleur. C’est un des exemples de la perte de chaleur par conduction. 

Production d'énergie cellulaire par oxydation respiratoire

Production d’énergie cellulaire par oxydation respiratoire

 

Pourquoi manger et pourquoi respirer ? La réponse est la même. La respiration combinée à l’alimentation est la base de la production d’énergie à l’échelle de la cellule. Lorsqu’on mange, il y a une simplification moléculaire et on retrouve, après passage de l’intestin au sang, un certain nombre de molécules organiques simplifiées, des glucides, des lipides mais aussi des protides. Les glucides et les lipides sont des molécules très énergétiques.

 

I. Échelle de l’organisme : organes de stockage

 

A l’échelle de l’organisme, après alimentation, on a un stockage des nutriments et des molécules organiques avalées.

On peut déjà observer que le sang, riche en glucide et en lipide, approvisionne un certain nombre de cellules, par exemple les muscles. Ceux-ci récupèrent les glucides mais aussi un peu les lipides. Ces cellules musculaires conservent les glucides sous la forme d’un polymère qui s’appelle glycogène.

Il existe d’autres organes de stockage comme les tissus adipeux qu’on retrouve au niveau des hanches ou de la taille. Ce tissu est fait de cellules spécialisées appelées des adipocytes. Ces cellules stockent les lipides et les glucides sous forme d’acide gras (grosses gouttelettes lipidiques) à l’intérieure du cytoplasme des cellules.

Ainsi, lorsqu’on mange, on stocke au niveau du tissu adipeux, des muscles, mais aussi au niveau du foie sous forme de glycogène.

Anecdotiquement, on a découvert assez récemment qu’au niveau du cou nous avons un tissu appelé tissu adipeux brun qui est aussi une zone de stockage mais uniquement à des fins de thermogenèse donc de production de chaleur.

 

II. Échelle de la cellule : molécules stockées

 

Tout se passe à l’échelle de la cellule au niveau d’un organite : la mitochondrie (qu’on pourrait qualifier de petite centrale énergétique). C’est un organite cytoplasmique, une petite unité qu’on retrouve dans le cytoplasme en plusieurs exemplaires de quelques micromètres observables en microscopie optique.

C’est au niveau de la mitochondrie qu’il y a conversion des molécules organiques. Par exemple, le glucose (C6H12O6) est convertit en énergie. Au niveau de cet organite, le glucose, un carbone lié à un élément hydrogène (soit un carbone organique réduit) est oxydé grâce au dioxygène de l’air, d’où la respiration en continu. Le dioxygène capté par la respiration est utilisé au niveau de la mitochondrie pour oxyder le glucose ingéré. Ainsi, à l’échelle cellulaire, manger et respirer aboutit à un métabolisme dit respiratoire d’oxydation du glucose (molécule organique) en déchet minéral (c’est une oxydation totale). Le C6H12O6 devient du dioxyde de carbone avec le carbone totalement oxydé, ce n’est plus un carbone réduit. Et le dioxygène est réduit en H2O, c’est une réaction d’oxydo-réduction.

Au sein de cette mitochondrie, on assiste à une oxydation respiratoire (on oxyde du carbone organique en carbone minéral) grâce à la molécule d’oxygène. La finalité de cette oxydation est la production d’énergie. Cette énergie, petite monnaie énergétique, s’appelle l’ATP (pas au programme). On retient : “je mange, je respire, je produis de l’énergie sous forme d’ATP”.

Cette énergie est très importante car elle permet aux cellules musculaires de fonctionner, par exemple de se contracter, ce qui est très couteux du point de vue énergétique. Les cellules musculaires utilisent beaucoup de glucose stocké sous forme de glycogène et donc elles consomment beaucoup d’ATP. L’ATP permet un travail, ici de contraction musculaire. Si on prend l’adipocyte, stoker demande de l’énergie, donc le stockage va lui aussi utiliser l’ATP. Se multiplier ou se diviser pour une cellule demande aussi de l’énergie, là encore utilisée sous forme d’ATP.

 

III. Calculer un rendement

 

Quand on mange est-ce qu’on obtient 100 % d’ATP ou est ce qu’il y a des pertes ? La conversion des molécules organiques en molécules très énergétiques qu’est l’ATP, est-ce un rendement de 100 % ?

Dans les conditions physiologiques, une molécule d’ATP est à peu près 30,5 kilo joule/mole. Pour le métabolisme respiratoire au sein d’une mitochondrie (par exemple dans une cellule du foie), on considère qu’on fait 38 molécules d’ATP, chaque molécule apportant une énergie correspondant à 30,5 kj/mole une fois qu’on hydrolyse l’ATP.

Qu’a-t-on utilisé pour obtenir les 38 molécules d’ATP ? Une molécule de glucose.

Une molécule de glucose, c’est 2 880 kj/mole soit environ 3 000kj/mole.

Pour connaître le rendement on fait $dfrac{38 times 30,5}{3000} times 100$.

Soit un rendement de 38 %.

Donc, quand on mange, on produit 38 % d’énergie utilisable pour les travaux cellulaires. Mais environ 62 % sont perdus sous forme de chaleur. Celle-ci est très importante car elle permet à l’organisme d’avoir une température corporelle constante.

Nous sommes des endothermes, notre température est globalement constante autour des 37°. Il faut donc bien comprendre que les 60 % perdus ne servent pas à rien mais qu’ils sont au contraire très importants car ils permettent de dégager de la chaleur et de maintenir constante la température corporelle à l’alentour de 37°.