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Stratégies de régulation de la température
Comment le comportement, l'anatomie et la physiologie permettent-ils aux animaux de réguler la température de leur corps ?
Points clés
- De nombreux animaux régulent la température de leur corps en adaptant leur comportement, par exemple en recherchant le soleil ou l'ombre ou en se blottissant les uns contre les autres pour se réchauffer.
- Les endothermes peuvent modifier la production de chaleur métabolique pour maintenir leur température corporelle en utilisant à la fois la thermogenèse par les frissons et celle sans frissons.
- La vasoconstriction — rétrécissement — et la vasodilatation — élargissement — des vaisseaux sanguins de la peau peuvent modifier les échanges de chaleur d'un organisme avec l'environnement.
- Un échangeur thermique à contre-courant est constitué de vaisseaux sanguins dans lesquels la chaleur est transférée du sang plus chaud vers le sang plus froid, réduisant généralement la perte de chaleur.
- Certains animaux ont recours à des mécanismes d'isolation corporelle et d'évaporation, comme transpirer ou haleter, afin de réguler la température de leur corps.
Introduction
Pourquoi les lézards prennent-ils des bains de soleil ? Pourquoi les lièvres ont-ils des oreilles gigantesques ? Pourquoi les chiens halètent-ils quand ils ont chaud ? Ces stratégies de thermorégulation leur permettent de vivre dans des environnements très différents, y compris certains plutôt extrêmes.
Les ours polaires et les pingouins, par exemple, gardent une température corporelle élevée dans leurs maisons glaciales des pôles, tandis que les rats-kangourous, les iguanes et les crotales prospèrent dans la vallée de la Mort, où les températures estivales dépassent les
Examinons de plus près certaines stratégies comportementales, processus physiologiques et caractéristiques anatomiques qui aident les animaux à réguler la température de leur corps.
Mécanismes de thermorégulation
Comme on l'a vu, les animaux peuvent être classés en tant qu'endothermes ou ectothermes selon la façon dont ils régulent leur température.
- Les endothermes, tels que les oiseaux et les mammifères, utilisent la chaleur métabolique pour maintenir une température interne stable, souvent différente de celle de l'environnement.
- Les ectothermes, comme les lézards et les serpents, n'utilisent pas la chaleur métabolique pour maintenir leur température corporelle, mais ils prennent la température de leur environnement.
Les endothermes comme les ectothermes présentent des adaptations — des caractéristiques issues de la sélection naturelle — qui les aident à maintenir une température corporelle saine. Ces adaptations peuvent être comportementales, anatomiques ou physiologiques. Certaines transformations accroissent la production de chaleur chez les endothermes quand il fait froid. D'autres augmentent ou diminuent les échanges de chaleur avec l'environnement, à la fois chez les endothermes et les ectothermes.
Nous examinerons trois grandes catégories de mécanismes de thermorégulation dans cet article :
- Modification du comportement
- Augmentation de la production de chaleur métabolique
- Contrôle des échanges de chaleur avec l'environnement
Stratégies comportementales
Comment faites-vous pour réguler la température de votre corps grâce à votre comportement ? Quand il fait chaud, vous pouvez aller vous baigner, boire un verre d'eau fraîche ou vous asseoir à l'ombre. S'il fait froid, vous mettrez peut-être un manteau, vous vous installerez dans un coin confortable ou mangerez un bol de soupe bien chaude.
Les animaux autres que les humains adoptent des comportements similaires. Par exemple, les éléphants s'aspergent d'eau fraîche pour se refroidir s'il fait chaud et de nombreux animaux recherchent l'ombre quand ils ont trop chaud. D'un autre côté, les lézards s'allongent souvent sur les rochers chauds pour se réchauffer et les pingouins se blottissent les uns contre les autres pour maintenir leur chaleur.
Certains ectothermes maîtrisent tellement bien les stratégies comportementales pour réguler leur température corporelle qu'ils parviennent à maintenir cette dernière relativement stable, sans pour autant avoir recours à la production de chaleur métabolique.
Augmenter la production de chaleur : thermogenèse
Les endothermes disposent de différents moyens pour augmenter leur production de chaleur métabolique, ou thermogenèse, lorsqu'ils se trouvent dans des environnements froids.
L'une des façons de produire de la chaleur métabolique passe par la contraction des muscles — par exemple, vous grelottez sans pouvoir vous en empêcher quand vous avez très froid. Les mouvements volontaires — comme frotter vos mains l'une sur l'autre ou aller vous promener d'un pas énergique — ainsi que les frissons augmentent tous deux votre activité musculaire et amplifient de ce fait la production de chaleur.
La thermogenèse sans frissons constitue un mécanisme additionnel pour produire de la chaleur. Ce processus repose sur un tissu lipidique spécialisé, connu sous le nom de graisse brune ou tissu adipeux brun. Certains mammifères, surtout ceux qui hibernent, et les bébés animaux, ont beaucoup de graisse brune. Cette dernière contient de nombreuses mitochondries dotées de protéines spécifiques qui permettent de libérer l'énergie contenue dans les molécules "carburant" directement sous forme de chaleur au lieu de la canaliser vers la formation du transporteur d'énergie ATP.
Pour en savoir plus sur la manière dont l'énergie est libérée sous forme de chaleur dans les cellules adipeuses brunes, jetez un œil à la section sur les protéines découplantes dans l'article sur la phosphorylation oxydative.
Contrôler la perte et le gain de chaleur
Les animaux ont également des structures corporelles et des réponses physiologiques qui contrôlent la quantité de chaleur qu'ils échangent avec l'environnement :
- Les mécanismes circulatoires, tels que la modification de la circulation sanguine
- L'isolation, grâce à la fourrure, aux graisses ou aux plumes
- Les mécanismes d'évaporation, comme le halètement et la transpiration
Mécanismes circulatoires
La surface de corps est le principal lieu d'échanges de chaleur avec l'environnement. Le contrôle du flux sanguin au niveau de la peau est donc primordial pour maîtriser la quantité de chaleur perdue — ou gagnée — en interagissant avec le milieu extérieur.
Vasoconstriction et vasodilatation
Chez les endothermes, le sang chaud qui circule à l'intérieur de votre corps perd généralement de la chaleur au contact de l'environnement quand il arrive au niveau de la peau. Le rétrécissement du diamètre des vaisseaux sanguins qui irriguent la peau, un processus connu sous le terme de vasoconstriction, réduit le flux sanguin et facilite la rétention de chaleur.
À l'inverse, quand un organisme endotherme a besoin de perdre de la chaleur — par exemple, après s'être enfui pour échapper à un prédateur — ces mêmes vaisseaux sanguins s'élargissent ou se dilatent. On parle alors de vasodilatation. Ce mécanisme augmente le flux sanguin vers la peau et aide l'animal à libérer vers l'environnement une partie de la chaleur accumulée pendant l'effort.
Les animaux à fourrure disposent souvent de réseaux vasculaires spécialisés dans l'échange de chaleur au niveau des zones de peau nue. Ainsi, les lièvres présentent au niveau de leurs grandes oreilles, un large réseau de vaisseaux sanguins qui leur permet de perdre rapidement de la chaleur. Cette adaptation les aide à vivre dans des environnements désertiques chauds.
Certains ectothermes régulent également la circulation du sang au niveau de la peau pour conserver la chaleur. Par exemple, les iguanes réduisent leur flux sanguin cutané lorsqu'ils nagent dans des eaux froides afin de retenir la chaleur accumulée sur la terre ferme.
Échange thermique à contre-courant
De nombreux oiseaux et mammifères disposent d'échangeurs thermiques à contre-courant, des adaptations circulatoires qui autorisent le transfert de chaleur des vaisseaux sanguins qui contiennent un sang plus chaud vers ceux où le sang est plus froid. Pour comprendre comment cela fonctionne, voici un exemple.
Dans la patte gauche d'un oiseau qui patauge dans l'eau, l'artère descendante transporte du sang chaud issu du haut du corps. Cette artère est positionnée à proximité d'une veine dans laquelle remonte le sang froid issu de la patte. Le sang chaud qui descend transfère par conduction une grande partie de la chaleur qu'il contient vers le sang froid qui remonte. Cela implique qu'il y aura moins de chaleur perdue au niveau de la patte, car la différence de température entre le sang refroidi et le milieu extérieur est moins importante, et parce que le sang qui remonte vers le centre du corps sera relativement chaud, ce qui évite au corps de se refroidir.
Isolation
L'isolation constitue une autre méthode pour limiter la dissipation de chaleur vers l'environnement. Les oiseaux grâce à leurs plumes et la plupart des mammifères avec leurs poils ou leur fourrure, piègent une couche d'air à la surface de leur peau et réduisent ainsi les transferts de chaleur avec l'environnement. Les mammifères marins tels que les baleines utilisent le spermaceti, une épaisse couche de graisse, comme moyen d'isolation particulièrement efficace.
Par temps froid, les oiseaux ébouriffent leurs plumes et les animaux gonflent leur fourrure pour épaissir la couche d'isolation. Nous les humains en faisons autant — avec la chair de poule — mais ce n'est pas aussi efficace, car nous n'avons pas assez de poils. Voilà pourquoi, la plupart des gens portent un pull !
Mécanismes d'évaporation
Les animaux terrestres perdent souvent de l'eau au niveau de la peau, de la bouche et du nez par évaporation dans l'air. L'évaporation élimine de la chaleur et peut agir comme un mécanisme de refroidissement.
Par exemple, de nombreux mammifères peuvent activer des mécanismes tels que la transpiration et le halètement pour augmenter le refroidissement par évaporation quand la température du corps est élevée.
- En transpirant, les glandes de la peau libèrent de l'eau qui contient différents ions — ces «électrolytes» que nous récupérons en consommant des boissons énergétiques. Les mammifères sont les seuls à transpirer.
- En haletant, un animal respire rapidement par petites bouffées, en ayant la gueule ouverte pour augmenter la surface d'évaporation. Les mammifères et les oiseaux halètent, ou du moins utilisent des stratégies similaires pour se refroidir.
Chez certaines espèces, comme le chien, le refroidissement par évaporation lors du halètement, associé à un échangeur thermique à contre-courant, les aide à éviter que leur cerveau ne surchauffe !
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