\setcounter{chapter}{6}
\chapter{Le bilan thermique du corps humain}

\section{Introduction}

La température de notre environnement est en général inférieure à celle de notre 
corps (37 $\degres$C). Un \emph{flux thermique} se produit alors 
principalement 
de notre corps vers l’environnement extérieur. Le risque serait que notre 
température corporelle baisse ; or, en général ce n'est pas le cas, ce qui 
signifie que les quantités de chaleur perdues par le corps humain sont 
compensées par la production d’une quantité équivalente de chaleur dans le 
corps. Il y a donc un équilibre thermique qui s’établit sur l’ensemble d’une 
journée : on dit que l’Homme est un \emph{homéotherme}.

\begin{problematique}
 Comment la température corporelle est-elle régulée ? 
\end{problematique}

\section{Un bilan thermique stable au cours de la\\ journée}

\begin{problematique}
 Comment se réalisent les flux de chaleur entre le corps et son environnement ?
\end{problematique}

\subsection{Les pertes thermiques}

Le corps humain échange de l’énergie thermique en permanence avec l’extérieur. 
Ces pertes thermiques peuvent se faire par l’intermédiaire de plusieurs 
processus :
\begin{itemize}
 \item la \emph{conduction} : transfert d’énergie thermique entre deux corps en 
contact, de la zone la plus chaude vers la zone la plus froide sans déplacement 
de matière. C’est par exemple le cas lorsque l’on pose sa main sur une vitre 
froide : l’énergie thermique passe alors de notre main (plus chaude) vers la 
vitre (plus froide), d’où cette sensation de froid, car notre corps a perdu de 
l’énergie thermique ;
\item la \emph{convection} : transfert d’énergie thermique avec déplacement de 
matière, de la zone chaude vers la zone froide ;
\item l'\emph{évaporation} : changement d'état de l'eau liquide en vapeur grâce 
à l’énergie thermique absorbée par l'eau ;
\item le \emph{rayonnement} : transfert d’énergie par émission de rayonnement 
infrarouge entre un objet chaud et un objet plus froid, sans contact direct.
\end{itemize}

\begin{plusloin}
 D’après la loi de Wien (cf. chapitre \ref{cours:ch4} page 
\pageref{cours:ch4}) : $$\lambda_{\max} \times T =  
2,9.10^{-3} \text{ m.K}$$ 
($T$ en degré Kelvin = $T$ en degré Celsius $+273$).

Cette loi permet de connaître la longueur d’onde maximale des rayonnements émis 
connaissant la température en K d’un corps noir. Dans le cas du corps humain, la 
température moyenne est de 37°C soit 310 K :
$$\lambda_{\max} = \dfrac{2,9.10^{-3}}{37 + 273} = 9,3 \text{ $\mu$m 
(infrarouge)}.$$
Ainsi le rayonnement émis par le corps humain suite à son 
échauffement est un 
rayonnement infrarouge, comme notre planète. 
\end{plusloin}

La \emph{puissance thermique} (en W) traduit la quantité d’énergie thermique 
évacuée par le corps par unité de temps ($P = E / 
t$). On estime que la puissance libérée au repos par une personne 
éveillée est d’environ \emph{100 W}. Le 
schéma qui suit représente les différentes pertes thermiques avec une estimation 
de la puissance libérée pour un homme de 1,70 m pesant 70 kg.

\vspace*{0.5cm}
\begin{center}
 \textit{Voir schéma page suivante.}
\end{center}
\vspace*{0.5cm}
\newpage

%% FIGURE 7.1
\begin{figure}
 \begin{center}
  \includegraphics{169_07-01}
 \end{center}
%  \captionsetup{width=0.5\textwidth}
\figcaption{Schéma des échanges thermiques entre le corps humain et 
son milieu.}
\end{figure}

Les objets environnants chauds ou le rayonnement solaire sur la peau peuvent 
contribuer de façon mineure à réchauffer l’organisme. Lorsqu’il fait froid, 
c’est surtout par conduction et lorsqu’il fait très chaud c’est surtout par 
convection que se réalisent les pertes thermiques.

\textit{Voir exercice \ref{exo:ch7exo4} page \pageref{exo:ch7exo4}.}

\subsection{Production de chaleur}

Afin de garantir un équilibre thermique, divers processus liés au fonctionnement 
de notre corps permettent de produire de la chaleur. 

\subsubsection{Les apports liés à notre alimentation}

Les aliments contiennent de la matière minérale (eau, sels minéraux\dots) et 
des molécules organiques dont certaines (glucides, lipides, protides) 
contiennent une énergie chimique. Les \emph{aliments} ingérés vont être 
transformés en \emph{nutriments} de petite taille grâce aux enzymes (protéines 
ayant une action spécifique) contenues dans les sucs digestifs. Les nutriments 
(substances organiques ou minérales absorbables) sont absorbés par l'intestin 
grêle et sont acheminés vers les organes grâce à la circulation sanguine. Les 
nutriments sont absorbés par les cellules au niveau des capillaires sanguins.  

\Par

L’organisme peut stocker certains nutriments comme le glucose (sous forme de 
glycogène) dans le foie et dans les muscles et stocker des acides gras dans le 
tissu adipeux. En cas d’\emph{activité physique}, les muscles puisent dans le 
sang du glucose et des acides gras libérés par le foie et le tissu 
adipeux.  Leur 
transformation libère de l’énergie chimique et de l’énergie thermique.

\subsubsection{Le métabolisme cellulaire, producteur de chaleur}

Le \emph{métabolisme} correspond à 
l’ensemble des transformations chimiques ayant lieu dans l’organisme 
(création 
et destruction de molécules). 

Grâce au métabolisme, les cellules dégradent les molécules organiques et 
récupèrent ainsi l’énergie qu'elles contiennent sous la forme d’une 
molécule 
énergétique : l’ATP (Adénosine TriPhosphate). Il existe deux grandes voies 
métaboliques cellulaires permettant de produire de l’énergie thermique : la 
respiration cellulaire et les fermentations. 

\begin{itemize}
 \item La \emph{respiration cellulaire} nécessite la présence de mitochondries. 
Il s’agit d’une suite de transformations chimiques dégradant les 
molécules de glucose en CO$_2$ et H$_2$O. Au cours de ces transformations, de 
nombreuses molécules d’ATP sont synthétisées. L’hydrolyse 
(destruction) de ces molécules d’ATP 
fournira aux cellules une grande quantité d’énergie. Lors de la respiration 
cellulaire, environ 40 \% de l’énergie contenue dans les nutriments 
sont 
convertis en énergie chimique (ATP) et 60 \% sont convertis en 
énergie 
thermique. De plus, lorsque l’énergie contenue dans l’ATP est utilisée pour 
permettre une activité cellulaire, la moitié de son énergie est de nouveau 
dissipée sous forme de chaleur. Ainsi, plus de 80 \% de l’énergie contenue dans 
nos aliments sont à l’origine de notre chaleur interne.

\Par

%% FIGURE 7.2
\begin{figure}
 \begin{center}
  \includegraphics{170_07-02}
 \end{center}
%  \captionsetup{width=0.5\textwidth}
\figcaption{La respiration cellulaire libère de l’énergie utilisable par la 
cellule}
\end{figure}

\Par

\item Les \emph{fermentations} sont aussi possibles dans l’organisme en absence 
d'O$_2$. On distingue la fermentation lactique, qui a lieu dans 
nos muscles, et 
permet d’obtenir des acides lactiques, et la fermentation 
alcoolique (comme 
peuvent le réaliser les levures) aboutissant à la création de molécules 
d’éthanol. Au cours de la fermentation, seules deux molécules d’ATP sont 
produites. Par ailleurs les molécules obtenues contiennent encore de 
l’énergie 
chimique la dégradation étant incomplète.

\newpage

\textit{Remarque :} les réserves d’ATP sont si réduites (quelques centaines de 
grammes), qu'elles ne permettent au corps de fonctionner que quelques 
secondes. L’ATP 
doit être régénérée en permanence.

\Par

%% FIGURE 7.3
\begin{figure}
 \begin{center}
  \includegraphics{171_07-03}
 \end{center}
%  \captionsetup{width=0.5\textwidth}
\figcaption{Vue d’ensemble du métabolisme}
\end{figure}
\end{itemize}

\begin{aretenir}
 La température du corps humain est en permanence autour de 37$\degres$C, alors 
que la température de l’environnement est bien souvent inférieure. Des échanges 
de chaleur peuvent se faire avec l’extérieur par conduction, convection, 
rayonnement et évaporation. \`A l’inverse, le corps humain produit de la 
chaleur, notamment à partir de la chaleur libérée par les nutriments 
issus des 
aliments absorbés. Des processus métaboliques, comme la respiration cellulaire 
ou les fermentations, permettent de convertir l’énergie des nutriments en 
énergie utilisable par les cellules (ATP). Ces conversions d’énergie 
s’accompagnent d’un transfert thermique. La puissance thermique libérée par un 
corps humain est de l’ordre de 100 W au repos.
\end{aretenir}

\vfill
\text{}

\section{Les besoins énergétiques de l’organisme}

\begin{problematique}
 Quels sont les besoins énergétiques de l’organisme ? 
\end{problematique}

Les dépenses énergétiques journalières (en kJ ou kcal) d’un individu sont 
réparties en 4 postes : le métabolisme de base, l’activité physique, la 
thermorégulation et le travail digestif. 

\Par
%% FIGURE 7.3
\begin{figure}
 \begin{center}
  \includegraphics{172_07-04}
 \end{center}
%  \captionsetup{width=0.5\textwidth}
\figcaption{Les différents postes de dépnses énergétiques}
\end{figure}

\Par

La majorité de nos dépenses énergétiques en ATP correspondent au 
\emph{métabolisme de base}, ce sont des dépenses irréductibles. Il correspond 
aux dépenses énergétiques nécessaires pour assurer les fonctions vitales de 
l’organisme, il est mesuré à jeun au repos. Il dépend du sexe, de la masse, de 
la taille, et de l’âge. On estime qu’il est nécessaire d’avoir un apport 
énergétique d’environ \numprint{7500} à \numprint{6700} kJ par jour pour un 
homme et entre \numprint{6300} et \numprint{5400} kJ par jour pour une femme.

\Par

Lors d’évènements comme un effort musculaire, en cas de digestion ou de lutte 
contre le froid ou le chaud, une dépense énergétique supplémentaire est 
nécessaire (soit une production d’ATP plus importante). Ces différentes dépenses 
peuvent ainsi influencer l’équilibre thermique. Par exemple, un effort physique 
supplémentaire (donc entraînant une plus grande production de chaleur) 
augmentera la quantité d’énergie libérée par évaporation ou accentuera les 
mécanismes de convection (due à une augmentation des mouvements 
respiratoires).

\textit{Voir exercice \ref{exo:ch7exo5} page \pageref{exo:ch7exo5}, 
et \ref{exo:ch7exo6} page \pageref{exo:ch7exo6}.}

\section{La régulation du bilan thermique}

\begin{problematique}
 Comment s’équilibre le bilan thermique ? 
\end{problematique}

\nathanLive{Retrouvez une vidéo sur la régulation thermique du corps avec}
\label{video:ch7regulationthermique}

Le bilan thermique est équilibré : cela signifie que production de 
chaleur et pertes 
thermiques sont compensées. En cas d'écart par rapport à la température de 
référence (37 $\degres$C), une boucle de régulation appelée 
\emph{thermorégulation} se met en place. C’est un mécanisme de régulation de 
l’énergie thermique du corps permettant de revenir à 37 $\degres$C grâce à des 
réactions comportementales (aller à l’ombre\dots) et physiologiques.

\Par

Tout écart est enregistré par des capteurs sensoriels situés au niveau de la 
peau et des organes profonds. Ils transmettent l’information à l’hypothalamus 
(centre de contrôle de la régulation thermique situé dans le cerveau). 
\begin{itemize}
 \item Si la température devient supérieure à 37 $\degres$C (hyperthermie), des 
mécanismes de \emph{thermolyse} sont déclenchés par l’hypothalamus afin 
d’abaisser la température : ventilation accélérée (expulsion de plus d’air 
chaud), forte transpiration, vasodilatation etc.
\item Si la température est trop basse (hypothermie), l’hypothalamus envoie des 
ordres aux organes afin de favoriser la création de l’énergie thermique 
(\emph{thermogénèse}) Par exemple, via l’horripilation (chair de poule), des 
claquements de dents, des frissons, une vasoconstriction des vaisseaux etc.
\end{itemize}

\Par

\textit{Remarque :} si les vaisseaux (artérioles surtout) se dilatent, l’apport 
de sang chaud dans la peau s’accroît. Cela permet de libérer plus d’énergie 
thermique par transpiration voire directement vers l’extérieur. En 
cas de 
situation très froide, la vasoconstriction limite le flux sanguin dans les 
membres donc leur température baisse, la chaleur est maintenue dans le 
compartiment central au niveau des organes vitaux.

\Par

Des réponses comportementales permettent d’amplifier cette réponse 
physiologique.

\vspace*{0.5cm}
\begin{center}
 \textit{Voir schéma page suivante.}
\end{center}
\vspace*{0.5cm}
\newpage

%% FIGURE 7.3
\begin{figure}
 \begin{center}
  \includegraphics{174_07-05}
 \end{center}
%  \captionsetup{width=0.5\textwidth}
\figcaption{Mécanismes de régulation du bilan thermique}
\end{figure}

\begin{aretenir}
 L’équilibre entre les gains et les pertes d’énergie thermique est dû à une 
boucle de régulation, appelée \textit{thermorégulation}. Celle-ci 
permet le maintien d’une 
température corporelle stable, quelle que soit la température extérieure. 
Lorsque l’hypothalamus, centre de contrôle, détecte une hypothermie,
des 
mécanismes de thermogenèse se mettent en place. \`A l'inverse, en cas 
d'hyperthermie, des mécanismes de thermolyse permettent d'abaisser la 
température du corps. 
\end{aretenir}

\textit{Voir exercices \ref{exo:ch7exo7} page \pageref{exo:ch7exo7} 
et \ref{exo:ch7exo9} page \pageref{exo:ch7exo9}.}
