Thermorégulation

UE3 PACES - 2011-2012

Pr Bruno CHENUEL

Plan Introduction

Généralités Relation Température -Métabolisme Classification des animaux Bases de l’Homéothermie

A) La température corporelle : B) Les échanges thermiques : C) Réactions physiologiques au froid : D) Réactions physiologiques à la chaleur : E) Organisation générale de la thermorégulation : F) Un exemple particulier : la fièvre

Généralités :

Tous les animaux produisent de la chaleur au cours des réactions biochimiques impliquées dans leur métabolisme.

Les changements de température affectent l’ensemble des processus physiologiques.

(une augmentation de la température accélère la plupart des réactions biochimiques- Loi d’Arrhenius)

D’où températures compatibles avec la vie « active »

Pour les animaux, 2 familles distinctes :

  ECTOTHERMES : faible métabolisme, incapables d’élever de façon significative T. corporelle par rapport à T. ambiante. « Animaux à sang froid » (invertébrés, poissons, amphibiens, reptiles) Tc fluctue avec Ta d’où poïkilothermes.

  ENDOTHERMES : métabolisme élevé, Tc >> Ta « Animaux à sang chaud » (Mammifères, oiseaux) Homéothermes = Tc constante, Hétérothermes = Tc peut varier (hibernants)

Température ambiante�

Température corporelle�Ectothermes�

Poïkilothermes�

Endothermes�Homéothermes�

!Homéothermie :   apparue tardivement dans l’évolution.   indépendance vis à vis du milieu extérieur

(vitesses de réactions biochimiques ≈ constantes).  Pas d’appareil particulier, adaptations des fonctions

existantes (et comportementales).

Chez les homéothermes, température constante mais différente selon les espèces

Homme: 37°C; Chien, rat: 38°C; Eléphant: 36°C; Vache: 39°C; Poule: 41,5°C

Notion de Température CENTRALE

Condition de l’Homéothermie = régulation de la température centrale pour qu’elle soit maintenue

constante.

Gains de Chaleur = Pertes de Chaleur

Pour cela :

GAINS de CHALEUR

PERTES de CHALEUR Chaleur totale

du corps

Température du noyau central

Environnement extérieur Charge

thermique externe

Thermolyse

Production interne de

Chaleur

THERMOGENESE

Les bases de l’homéothermie

A) La température corporelle : 1 – Distinction Noyau-Enveloppe :�

"�

" " "�

On distingue deux compartiments :

 Le « noyau central »: partie interne du corps, où production de chaleur métabolique (contenu du thorax, abdomen, parties profondes de la tête et des membres). Température homogène dite « centrale ».

 L’« enveloppe » ou « écorce », autour du noyau central. Transferts de chaleur du noyau vers la surface cutanée. Température inférieure à la température centrale.

L’étendue du noyau et l’épaisseur de l’enveloppe peuvent varier sensiblement et de façon réciproque.

2 – La température centrale: a) Mesure, valeurs:

4 sites de saisie de la température centrale:  Température rectale - reste la référence en France  Température buccale : en moyenne inférieure de 0,4°C/

Tr  Température axillaire : 0,3 à 0,8°C de moins que Tr  Température tympanique, reflet de la température

centrale (Mesure du rayonnement infra-rouge émis par le tympan et le conduit auditif, proportionnel à la température)�

�" " "�

�Thermomètres à Mercure interdits depuis 1999, remplacés par thermomètres électroniques et tympaniques.

Chez l’Homme : température centrale normale AU REPOS 37 ± 0,5°C

b) Variations physiologiques :��" " "- nycthémérales (ou circadiennes) : sur 24 Heures Tc minimale en fin de nuit, avant 6 heures du matin maximale en fin d’après-midi, après 18H

Variations de l’ordre de 0,4-0,5°C

N’existent pas chez le nouveau-né et inversées chez le travailleur de nuit.

cf schéma

-  niveau métabolique :

Exercice musculaire +++ Tc pouvant atteindre 39 voire 41°C lors d’efforts très intenses (marathon)

-  variations dans le cycle menstruel chez la Femme : de 0,5°C pendant la deuxième phase du cycle (phase progestative), après l’ovulation (J14) et se maintient jusqu’à la fin du cycle marquée par les règles. (Méthode Ogino de planification familiale naturelle, avant l’arrivée de la contraception moderne)

cf schéma �"�

2 – L’enveloppe ou écorce :�

Couche interposée entre noyau central et ambiance.

Comporte : les téguments, le tissu adipeux sous cutané, partie variable des membres.

Température variable d’un point à un autre et dans le temps mais inférieure à T.centrale.

Epaisseur variable selon ambiance (importante en ambiance froide)��

ISOLANT THERMIQUE car tissus très mauvais conducteurs thermiques MAIS AUSSI

rôle dans la DISSIPATION DE CHALEUR par la VASCULARISATION +++ (le sang se réchauffe au niveau des organes producteurs de chaleur et se

refroidit au niveau de la peau).

Rôle de la vascularisation :�

Assure les ECHANGES THERMIQUES entre :

- noyau et écorce

- écorce et milieu ambiant

  Réseaux capillaires

  Shunts artério-veineux

  Circulation à contre-courant

cf schéma �

A� V�

37 �

37 � 35 � 33 � 31 � 29 �

27 �

26 �28 �30 �32 �34 �

36 �

Circulation intense ---> T.écorce se rapproche de T.centrale

écorce MINCE Circulation réduite ---> T.écorce se rapproche de T.ambiante

écorce EPAISSE

Ecorce (Enveloppe)

Noyau central

Evaporation

+

Conduction Convection Rayonnement

B) Les échanges thermiques: 1 – Mécanismes des transferts de chaleur :

a) Conduction

•  Transfert de chaleur entre deux corps en contact

•  Quantité de chaleur transférée fonction de la surface de contact, la conductivité thermique des tissus et différence de température.

•  Conductivité thermique importante pour les métaux, faible pour les tissus (proche du liège), très faible pour l’air (donc bon isolant thermique).

�

Perception thermique dépendante du débit de chaleur transmise et donc de la conductivité thermique du corps touché

(sensation de métal plus froid que bois).

b) Convection :

Transfert de chaleur entre un corps et un fluide (gaz ou liquide)

  Convection naturelle : l’air s’échauffe au contact du corps, sa masse volumique diminue, devient plus léger et monte pour être remplacé par de l’air frais venant du bas. (principe du chauffage domestique par radiateur=convecteur) Peu importante chez l’Homme en air calme, surtout si habillement.��

  Convection forcée :

Le renouvellement du fluide est augmenté (vent,courants marins ou simplement souffler pour refroidir). Principe du ventilateur.

Effet de refroidissement du vent à peu près proportionnel à √ vitesse. Index Windchill.

Echanges d’autant plus importants que conductivité et différence de température élevées (C.eau=25xC.air). La limite de déperdition de chaleur par convection est atteinte lorsque la T.peau=T.ambiance. �

Index WINDCHILL

« Indice de refroidissement éolien » (Canada)

c) Rayonnement : Tout corps chaud (dont la température est supérieure au zéro absolu

= 0 K, soit -273°C) émet un rayonnement électromagnétique.�

La longueur d’onde du rayonnement émis est inversement proportionnelle à la température. (loi de Wien: max(µm) = 2898/T(K)). �

�

Forme majeure de transport de chaleur dans l’air, ne nécessitant pas de support matériel ou de contact. Pour l’HOMME, émission de rayonnements INFRAROUGES mais aussi RECEPTION des autres rayonnements et donc transfert de chaleur+++.�

---> Pour les objets qui nous entourent, de l’Ultra-violet (soleil) à l’infrarouge (surtout).��

Un rayonnement incident peut être : •  réfléchi •  transmis (diffusion) •  absorbé (corps noir) " "�

L’énergie d’un rayonnement: loi de Stephan-Boltzmann:�" " "R (W/m2) = . T4 (K)

��

Echanges thermiques par rayonnement = résultante de ce que le corps émet et de ce qu’il reçoit. Sens : fonction de la différence de température entre ambiance et surface corporelle.

Dépendent aussi de la surface corporelle exposée à l’environnement.�

d) Evaporation :

Ne participe qu’à la THERMOLYSE

Le passage d’une forme liquide à une forme gazeuse (eau/vapeur d’eau) requiert une certaine quantité de chaleur (en absorbe) et conduit à un refroidissement.

Chez l’Homme, 1 g d’eau = 0,58 kcal (chaleur latente de vaporisation)

Selon 3 modalités :   Evaporation pulmonaire : muqueuses respiratoires   Perspiration insensible : peau

au total : plus de 800 ml/jour ~ 450 kcal/j (pertes obligatoires)

  Sudation : évaporation de la sueur = élément clef de la lutte contre la chaleur chez l’Homme. Fonction des besoins de la thermorégulation.

Sudation :

Sécrétion active de sueur par les glandes sudoripares ECCRINES. ----> sur tout le corps mais plus grande concentration au niveau des paumes des mains et des pieds, front, creux axillaire. (Il faut les distinguer des glandes sudoripares apocrines, annexées à l’appareil pilo-sébacé, localisées au niveau des plis axillaires, inguinaux et région génito-anale).

glande sudoripare apocrine

glande sudoripare ECCRINE

Sueur= solution voisine du plasma mais hypotonique. Débit sudoral très variable, plus de 10 l/j chez des sujets à l’effort dans le désert.

Thermolyse grâce à la sudation uniquement si évaporation de la sueur.

Cette évaporation dépend de : T., hygrométrie, brassage de l’air et surface d’évaporation.

e) Mécanismes accessoires :

Gains ou pertes de chaleur par:

  air inspiré

  aliments

Pertes uniquement : selles, urines

Exemple des différents moyens de thermolyse chez un sujet au repos placé dans une pièce à 21°C�

L’équation du bilan thermique :

Production métabolique de chaleur

HM K C R - EO - ES = 0

Conduction

Convection

Rayonnement Evaporation obligat.

Evaporation sueur

2 – Bilan des échanges thermiques :

Gains > Pertes + S

Pertes > Gains - S

Stockage de chaleur

Déficit de chaleur

HM K C R - EO - ES = 0

Si la somme des termes n’est pas égale à zéro :

L’enveloppe s’épaissit, sa température de surface diminue

1er stade Le noyau central

se rétrécit

La température centrale

reste inchangée

Perte de chaleur

2ème stade

Perte de chaleur

La température centrale

diminue

Le refroidissement de l’écorce par sa surface ext. entraîne l’abaissement de la température centrale

Hypothermie

Agression par la chaleur

Le noyau central s’étend

La température centrale

reste inchangée

L’écorce s’amincit, sa température augmente, elle « absorbe » l’excédent de chaleur

1er stade Thermolyse inférieure aux gains

Agression par la chaleur

2ème stade

La température centrale

augmente

Hyperthermie

L’écorce, amincie à l’extrême, ne peut plus contenir l’excédent de chaleur.

Thermolyse inférieure aux gains

Notion de neutralité thermique :

Zone de température ambiante pour laquelle, en régime permanent, organisme en EQUILIBRE PASSIF avec l’ambiance, sans nécessité de mettre en œuvre aucun mécanisme régulateur et métabolisme minimal. Pour un sujet dévêtu au repos, sans vent relatif ~ 30°C (température cutanée autour de 33,5°C). Ce concept peut être étendu à un sujet habillé en activité (zone de confort thermique en milieu professionnel).

C) Réactions physiologiques au froid :

1 – Augmentation de la thermogenèse

2 – Réduction de la thermolyse

1 – Augmentation de la thermogenèse

a – Le frisson thermique : Contractions musculaires sans mouvement. 10 à 12/sec.

Pas de travail mécanique, production exclusive de chaleur.

Accompagne les mouvements respiratoires (inspiration+++).

Concerne les muscles masséters, ceinture scapulaire puis muscles para vertébraux et membres.

Peut augmenter 3 à 5 fois le métabolisme mais épuisement.�

Pas de frisson thermique chez le nouveau-né

b – Autres mécanismes (thermogenèse sans frisson):

  Augmentation globale du métabolisme :

Hormones thyroïdiennes, surrénaliennes.

  Augmentation globale du tonus musculaire

  Chez le nouveau-né, production de chaleur par la graisse brune (nuque, région interscapulaire+++) sous l’effet d’adrénaline.

  Augmentation volontaire du métabolisme : exercice physique

2 – Réduction de la thermolyse

a – Modifications circulatoires : Objectifs : Réduction de la température cutanée et limiter les échanges entre noyau et écorce.

VASOCONSTRICTION adrénergique cutanée + circulation à contre-courant -----> diminution des déperditions thermiques+++

b – Autres mécanismes :

  Amélioration de l’isolation thermique : interposition d’une couche isolante au contact de la peau

---> Vêtements chez l’Homme +++

---> fourrure, horripilation adrénergique chez animaux (vestige archaïque non efficace chez l’Homme)

  Réduction de la surface d’échange : blottissement

D) Réactions physiologiques à la chaleur

1 – Réactions circulatoires:

VASODILATATION cutanée pour augmenter T. peau.

2 – Sudation : évaporation de la sueur Mécanisme de thermolyse très efficace surtout si chaleur sèche avec vent. Dépassé si air chaud et humide.

Sudation déclenchée par stimulation sympathique (mais médiateur= acétylcholine), bloquée par l’atropine.

Augmentation de la thermolyse ++++�

E) Organisation de la thermorégulation

Principe général = Boucle de rétro-contrôle. Les centres de la thermorégulation situés dans l’HYPOTHALAMUS reçoivent des informations de thermorécepteurs qui apprécient la température et la comparent à une valeur de consigne (= valeur cible théorique, principe du thermostat). S’il y a un écart, les centres vont mettre en jeu des mécanismes compensateurs pour le supprimer. Hypothalamus antérieur : activé par augmentation de température, réponse au chaud. Hypothalamus postérieur : baisse de température, réponse au froid.�

  Thermorécepteurs centraux : hypothalamus, moelle épinière, viscères (territoire splanchnique), évaluant la température centrale.

  Thermorécepteurs périphériques : cutanés (chaud, froid+++ et douleur) évaluant surtout les variations de la température cutanée.

La fièvre

Due à une modification de la valeur de consigne du « thermostat central » hypothalamique.

Le sujet réagit comme si agression par le froid car valeur de consigne élevée sous l’action de substances pyrogènes (infections+++) agissant sur la thermosens ib i l i té cent ra le par l’intermédiaire de prostaglandines (inhibées par l’aspirine).

  Montée thermique : lutte contre le froid ---> vasoconstriction cutanée, augmentation du métabolisme (adrénaline), frisson +++

  Plateau thermique : T. centrale arrivée à la nouvelle valeur de consigne, les réactions cessent.

  Défervescence thermique : chute de la fièvre, retour à une valeur de consigne normale, mécanismes de lutte contre le chaud ---> vasodilatation, sudation+++ , jusqu’au retour à Tc normale.

3 phases: