Cours : Le bilan thermique du corps humain

Les échanges thermiques entre le corps humain et son environnement

L’homéostat thermique

Définition

Homéostat thermique :

L’homéostat correspond à un ensemble de phénomènes physiques ou chimiques qui permettent le maintien d’un paramètre biologique proche d’une valeur constante.

L’homéostat thermique permet donc le maintien de la température interne de l’être humain à une valeur proche de $37\,\degree\text C$.

Au quotidien, le corps humain va donc soit dissiper de la chaleur ou au contraire en produire en modifiant son comportement.

À retenir

La température interne du corps humain est constante : elle est le signe d’une bonne santé.

Les apports de chaleur

• La thermogenèse

Le réchauffement du corps est notamment rendu possible par la thermogenèse.

Définition

Thermogenèse :

La thermogenèse est la production de chaleur par le corps humain.

L’activité musculaire volontaire permet une grande production de chaleur.

Malgré tout, le rôle de l’activité musculaire involontaire n’est pas à négliger.

• Ainsi, en cas d’hypothermie (température interne inférieure à la valeur normale), les frissons, grâce à une contraction des muscles situés sous la peau, produisent une quantité de chaleur conséquente.
• Le Soleil

La deuxième source de chaleur possible est celle du Soleil (échanges thermiques par radiation).

Au contact des infrarouges apportés par la lumière solaire, la peau est chauffée.

• C’est notamment ce phénomène qui permet aux animaux dits « à sang froid » (le lézard par exemple) d’accumuler de la chaleur en journée.

Rappel

Les infrarouges ont des longueurs d’onde supérieures aux couleurs visibles. Plus ces longueurs d’onde sont élevées plus elles apportent de la chaleur.

La dissipation de chaleur par thermolyse

Définition

Thermolyse :

La thermolyse correspond à l'ensemble des systèmes mis en place afin de dissiper le surplus de chaleur.

Cette dissipation de chaleur est assurée par la convection et la conduction.

• La convection

La convection est un transfert de chaleur par mouvement de matière. Il s’agit d’un échange se produisant entre une surface (la peau) et un fluide en mouvement (air, sang) lorsque ceux-ci sont à des températures différentes.
Par exemple, en hiver l’air froid refroidit la peau directement, mais un simple isolant (un pull ou des gants par exemple) suffira à empêcher cette perte.
Les surfaces hydratées, quant à elles, permettent une meilleure convection. Ainsi, la sueur, produite par la transpiration, crée une fine couche de liquide qui favorise la thermolyse.

Le système vasculaire est aussi impliqué dans l’homéostat thermique : en cas de « surchauffe », une plus grande quantité de sang est orientée vers les couches superficielles des organes de l’individu. La peau chauffée par ce sang a alors une plus grande température que la normale et, en réponse, la transpiration est amplifiée.
Au final, cette plus grande production de sueur accélère la convection. Ainsi, un sang rafraîchi est ensuite réintroduit dans la circulation générale, ce qui permettra un retour à la normale.

• La conduction

La conduction est un transfert de chaleur par contact direct.

La chaleur est toujours conduite d’un objet ou corps de température plus élevée vers un objet ou corps de température moins élevée.

Lorsque deux corps de températures différentes entrent en contact, des échanges thermiques ont lieu : ainsi, par une chaude journée, si l’on se baigne dans une eau froide, on perd alors de la chaleur par conduction ; si l’on pose ses mains froides sur une roche chauffée par le soleil, elles gagnent de la chaleur par ce même phénomène.
L’ingestion d’aliments frais aura aussi la même conséquence sur les organes du tube digestif.

À retenir

L’homéostat thermique est possible lorsque le bilan de chaleur global est nul, en d’autres termes, lorsque les pertes équilibrent les gains.
Il existe un ensemble de mécanismes physiologiques qui permettent de réguler efficacement cette température interne ; si ces mécanismes dysfonctionnent l’issue peut être fatale.

La thermogenèse et la thermolyse participent donc à la thermorégulation du corps humain. Cependant, ces mécanismes nécessitent de l’énergie pour fonctionner.

Alimentation et chaleur interne du corps

La thermogenèse et la thermolyse ne sont pas des mécanismes passifs ; elles consomment donc de l’énergie.
On peut alors se demander d’où provient cette énergie.

Le rôle de la digestion dans les apports énergétiques

L’appareil digestif transforme les aliments en nutriments lors de la digestion.

Définition

Nutriments :

Les nutriments désignent un ensemble de molécules qui sont directement utilisables par l’animal. Ces molécules ont des fonctions constructives (formation des organes) et énergétiques.

Grâce aux diverses activités métaboliques, ces molécules énergétiques sont consommées pour libérer de l’énergie indispensable, entre autres, à la thermorégulation.

L’humain possède deux activités métaboliques, qui sont source d’énergie : la respiration cellulaire et la fermentation.

• La respiration cellulaire

Le but de la respiration cellulaire est de produire de l’énergie par oxydation, c’est-à-dire en consommant du glucose en présence du dioxygène.

Cette énergie permet le fonctionnement de tous les organes, qu’ils soient au repos ou en activité.

• La fermentation lactique

La fermentation lactique peut aussi apporter de l’énergie.

La fermentation lactique présente un rendement bien inférieur à la respiration : pour chaque molécule de glucose consommée, la fermentation libère 18 fois moins d’énergie que la respiration cellulaire.

Au niveau musculaire, la fermentation lactique se déroule en l’absence de dioxygène. Cette réaction métabolique est donc la réponse physiologique à une pénurie de dioxygène, possible lors d’un effort physique intense. Sur le long terme, l’acide lactique qui s’accumule dans les muscles peut causer de la fatigue et des douleurs, mais la circulation sanguine le transporte régulièrement vers le foie.

Alimentation et thermorégulation

Le maintien de l’homéostat thermique est très couteux en énergie : les apports alimentaires constituants le seul apport énergétique, ils doivent donc pallier les besoins essentiels, correspondant au métabolisme basal.

Définition

Métabolisme basal :

Le métabolisme basal désigne la production minimale d’énergie pour un individu au repos.

On estime le coût énergétique de la thermorégulation à $60\,\text{watts}$, lorsqu’une personne se trouve dans une pièce à $23\,\degree\text C$.
Dans un environnement froid, presque les trois quarts des apports alimentaires sont consommés par les réactions thermostatiques qui vont s’ajouter au métabolisme basal. La puissance dégagée peut ainsi avoisiner les $2\,000\,\text{watts}$.

Parmi les mécanismes coûteux énergiquement, on peut citer :

• les contractions musculaires volontaires et involontaires, grandes sources de thermogenèse ;
• l’accélération de la fréquence cardiaque (nombre de battements cardiaques par minute), qui permet de faire circuler le sang plus rapidement vers la peau, lieu important de refroidissement (75 % des échanges totaux se font au niveau de cet organe) ;
• la production de la sueur, liquide indispensable en été pour la thermolyse.

À retenir

Les apports alimentaires sont donc à l’origine de l’homéostat thermique : les apports doivent combler les réactions de thermolyse et de thermogenèse en fonction des besoins de thermorégulation.
On considère que l’être humain a une puissance moyenne de $100\,\text{watts}$.