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Cours : Biologie > Chapitre 30

Leçon 2: Métabolisme et thermorégulation

Organismes endothermes et ectothermes

La différence entre les organismes endothermes et ectothermes. Comment lire les graphiques liés à ces organismes ?

Points clés

La plupart des animaux ont besoin de maintenir la température interne de leur corps dans une fourchette relativement étroite.
Les endothermes se servent de la chaleur qu'ils génèrent en interne pour maintenir la température de leur corps. En général, cette dernière reste stable, quel que soit l'environnement.
Les ectothermes dépendent surtout des sources extérieures de chaleur et leur température corporelle varie en fonction de celle de l'environnement.
Les animaux échangent de la chaleur avec leur environnement par le rayonnement, la conduction — parfois facilitée par la convection — et par l'évaporation.

Introduction

Quel temps fait-il aujourd'hui ? Si chez vous c'est l'hiver, il fait peut-être assez froid. Si c'est l'été, il doit faire assez chaud. Quoi qu'il en soit, il y a de grandes chances pour que la température interne de votre corps oscille autour de

98, 6^{\circ} F

37^{\circ} C

. Comme on l'a vu dans l'article sur l'homéostasie, les mécanismes de frissonnement et de transpiration interviennent quand votre corps devient trop froid ou trop chaud, afin de réguler votre température interne.

Tous les organismes ne contrôlent pas leur température corporelle de manière aussi précise que nous, les humains. Mais presque tous les animaux de la planète doivent la réguler dans une certaine mesure — ne serait-ce que pour éviter que l'eau de leurs cellules gèle ou pour empêcher la dénaturation de leurs enzymes métaboliques sous l'effet de la chaleur.

En général, les animaux peuvent être répartis en deux groupes selon la manière dont ils régulent leur température corporelle : les endothermes et les ectothermes. Examinons de plus près ce qui les distingue.

Endothermes et ectothermes

Les gens, les ours polaires, les pingouins et les marmottes, comme la plupart des autres oiseaux et mammifères, sont des endothermes. Les iguanes et les serpents à sonnette, comme la majorité des reptiles — ainsi que la plupart des poissons, des amphibiens et des invertébrés — sont des ectothermes.

Les endothermes génèrent la majorité de la chaleur dont ils ont besoin en interne. Quand il fait froid, ils augmentent la production de chaleur métabolique pour maintenir leur température corporelle constante. De ce fait, la température interne du corps d'un endotherme est plus ou moins indépendante de celle de l'environnement.

La somme de toutes les réactions biochimiques qui ont lieu au sein d'un organisme constitue le métabolisme. Les réactions métaboliques servent à décomposer les molécules de "carburant", telles que les sucres, et à utiliser l'énergie qu'elles contiennent pour réaliser un travail. Les processus qui transforment l'énergie stockée dans les molécules alimentaires en travail biologique ne sont pas très efficaces. Ils libèrent donc comme sous-produit de la chaleur.

Plus le taux métabolique d'un organisme est élevé — la quantité de "carburant" chimique qu'il brûle pour une période donnée —, plus il produira de la chaleur.

Ainsi, quand un endotherme est exposé à des températures extérieures plus froides, il augmente sa vitesse métabolique, brûle plus de "carburant" et produit plus de chaleur dans le but de maintenir constante la température de son corps.

Cette caractéristique est illustrée par le graphique ci-dessous : la souris maintient une température corporelle régulière proche de

37^{\circ} C

à travers une large fourchette de températures extérieures.

Crédit d'image : diagramme basé sur les données de Cannon et Nedergaard

^{1}

, Figure 2 et sur une figure similaire de Purves et al.

^{2}

Chez les ectothermes, à l'inverse, la température corporelle dépend surtout des sources extérieures de chaleur. Ainsi, la température du corps d'un ectotherme augmente et diminue avec celle de l'environnement direct. Bien que les ectothermes soient capables de générer un peu de chaleur métabolique — à l'instar de tous les êtres vivants —, les ils ne peuvent pas augmenter cette production de chaleur pour maintenir une température interne spécifique.

Crédit d'image : diagramme basé sur un graphique théorique de Meek

^{3}

, Figure 1 et à partir de Akin

^{4}

, Figure 1

La plupart des ectothermes régulent en effet leur température dans une certaine mesure, mais ils ne le font pas en produisant de la chaleur. À la place, ils ont recours à d'autres stratégies, comme le comportement — en recherchant le soleil, l'ombre, etc. — afin de trouver les environnements où la température correspond à leurs besoins.

Certaines espèces se situent à la limite entre endothermes et ectothermes. Les animaux qui hibernent, par exemple, sont endothermiques quand ils sont actifs, mais ils se rapprochent des ectothermes quand ils hibernent. Les gros poissons comme le thon et les requins produisent et emmagasinent assez de chaleur pour amener la température de leur corps au-dessus de celle des eaux environnantes. Mais, contrairement aux véritables endothermes, ils ne maintiennent pas une température corporelle spécifique. Même certains insectes peuvent se servir de la chaleur métabolique pour augmenter la température de leur corps en contractant leurs muscles de vol !

^{5, 6, 7}

Un autre point important : en règle générale, les endothermes ont des taux métaboliques bien plus élevés que les ectothermes. C'est parce qu'ils doivent brûler de grandes quantités de "carburant" — des aliments — pour maintenir la température interne de leur corps.

Pourquoi réguler sa température ?

Il y a un seuil de base à la température corporelle que la plupart des animaux peuvent supporter. D'une part, l'eau gèle à

32^{\circ} F

0^{\circ} C

et se transforme en glace. Si des cristaux de glace apparaissent à l'intérieur d'une cellule, ils provoquent généralement la rupture de ses membranes. D'autre part, les enzymes et les autres protéines cellulaires commencent souvent à perdre leur forme et leur fonction — à se dénaturer — à des températures supérieures à

104^{\circ} F

40^{\circ} C

^{8}

Pourquoi de nombreux organismes — y compris vous et moi — maintiennent-ils leur température corporelle dans une fourchette encore plus restreinte que cela ? La vitesse des réactions chimiques varie avec la température, à la fois car la température influence le taux de collision entre les molécules et parce que les enzymes qui contrôlent ces réactions peuvent être sensibles à la température. Les réactions ont tendance à s'accélérer à des températures plus élevées, jusqu'à atteindre une limite au-delà de laquelle leur vitesse chute brusquement à mesure que leurs enzymes se dénaturent.

Chaque espèce dispose de son propre réseau de réactions métaboliques et d'un ensemble d'enzymes optimisées pour une gamme de température spécifique. En maintenant leur température corporelle dans cet ordre de grandeur, les organismes assurent le bon fonctionnement de leurs réactions métaboliques.

Équilibre de température

Pour les endothermes comme pour les ectothermes, la température corporelle dépend de l'équilibre entre la chaleur produite par l'organisme et celle échangée — perdue ou gagnée — avec l'environnement.

La chaleur se déplace toujours des objets les plus chauds vers les plus froids, comme le décrit la seconde loi de la thermodynamique.

Il existe trois principaux moyens pour un organisme d'échanger de la chaleur avec l'environnement : le rayonnement, la conduction — parallèlement à la convection — et l'évaporation.

Rayonnement : le rayonnement consiste en un transfert de chaleur d'un objet plus chaud vers un objet plus froid par rayonnement infrarouge, c'est-à-dire sans contact direct.
Conduction : la chaleur peut être transférée entre deux objets par contact direct au moyen de la conduction. La conduction de chaleur entre votre peau et l'air ou l'eau à proximité est facilitée par la convection, au cours de laquelle la chaleur est transférée grâce au mouvement de l'air ou du liquide.
Voici deux exemples :
Conduction : si vous attrapez un cube de glace, vous allez transférer de la chaleur au glaçon par conduction. À l'inverse, si vous marchez pieds nus sur de la pierre lors d'une journée ensoleillée, vous allez absorber la chaleur du sol par conduction.
Convection : le vent aide à chasser l'air à la surface de votre corps par convection, apportant un air nouveau, plus froid, et donc augmentant le transfert de chaleur entre votre peau et l'air. C'est ce qui nous donne l'impression qu'il fait plus froid quand le temps est venteux. On parle de température ressentie.
Évaporation : la vaporisation d'eau à partir d'une surface entraîne une perte de chaleur — par exemple, quand la transpiration s'évapore de votre peau. Pour comprendre pourquoi c'est le cas, jetez un coup d'œil à la vidéo Pourquoi la transpiration vous rafraîchit-elle ?

Comment les organismes contrôlent-ils la production et l'échange de chaleur pour conserver une température interne optimale ? On répondra justement à cette question dans le prochain article sur les stratégies de régulation de la température.

Testez vos connaissances : graphes de taux métabolique

Le graphique ci-dessous montre le taux métabolique de deux animaux, un endotherme et un ectotherme, en fonction de la température extérieure.

Crédit d'image : figure basée sur Hiebert et Noveral

^{9}

, Figure 1 et Purves et al

Quelle courbe représente l'endotherme et laquelle représente l'ectotherme ?

(Choix A)
La courbe $A$ ‍ représente l'endotherme ; la courbe $B$ ‍ représente l'ectotherme.
(Choix B)
La courbe $A$ ‍ représente l'ectotherme ; la courbe $B$ ‍ représente l'endotherme.
(Choix C)
Les deux courbes représentent des ectothermes.
(Choix D)
Aucune n'est vraie.

On peut utiliser nos connaissances sur la manière dont les endothermes et les ectothermes régulent leur température corporelle pour déterminer quelle courbe correspond à quel animal.

Pour commencer, "traduisons" l'axe Y du graphique. La consommation d'oxygène est une mesure commune du taux métabolique, parce que le gaz

O_{2}

sert à la décomposition des molécules de "carburant" lors de la respiration cellulaire. Plus un organisme consomme rapidement de l'oxygène, plus son taux métabolique est élevé. On aurait aussi pu mesurer la production de

{CO}_{2}

ou de chaleur pour déterminer le taux métabolique.

Alors quelle courbe représente l'endotherme ? Les endothermes augmentent leur taux métabolique à mesure que la température baisse, produisant plus de chaleur et maintenant ainsi leur température interne. La seule courbe qui augmente au fur et à mesure que la température descend est celle du haut — la courbe

A

en bleu — donc ce doit être l'endotherme.

Crédit d'image : basé sur Hiebert et Noveral

^{12}

, Figure 1 et Purves et al.

^{2}

La partie plate de la courbe correspond à la zone thermo-neutre. Il s'agit des températures extérieures pour lesquelles l'endotherme n'a pas besoin de dépenser d'énergie supplémentaire, au-delà de son taux métabolique basal ou de repos, pour maintenir sa température corporelle. L'augmentation du taux métabolique pour des températures plus élevées représente la dépense d'énergie pour essayer de refroidir le corps, et/ou le réchauffement des tissus en cas de défaillance des systèmes de refroidissement.

^{9}

La courbe qui reste — la courbe

B

en rouge — doit représenter notre ectotherme. Non seulement le taux métabolique de l'ectotherme est systématiquement inférieur à celui de l'endotherme, mais il baisse aussi en même temps que la température extérieure — c'est l'inverse chez l'endotherme. En fait, les réactions biochimiques tendent à ralentir à de faibles températures, tout comme celles du corps d'un ectotherme lorsque la température extérieure diminue.

Crédit d'image : figure basée sur Hiebert et Noveral

^{12}

, Figure 1 et Purves et al.

^{2}

Cet article est enregistré sous la licence CC BY-NC-SA 4.0.

Travaux cités

Barbara Cannon and Jan Nedergaard, "Nonshivering Thermogenesis and Its Adequate Measurement in Metabolic Studies," Experimental Biology 214 (2011): 242-253, http://dx.doi.org/10.1242/jeb.050989.
Purves, William K., David Sadava, Gordon H. Orians, and H. Craig Heller, "41.7 Endotherms and Ectotherms," Dans Life: The Science of Biology, 7th ed. (Sunderland: Sinauer Associates, 2003), 788.
Roger Meek, "Reptiles, Thermoregulation, and the Environment," British Chelonia Group, consulté le 9 juillet 2016, http://www.britishcheloniagroup.org.uk/testudo/v4/v4n2thermoreg.
Jonathan A. Akin, "Homeostatic Processes for Thermoregulation," Nature Education Knowledge 3, no. 10 (2011): 7, http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/homeostatic-processes-for-thermoregulation-23592046.
David E. Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, and May Berenbaum, "Physiology, Homeostasis, and Temperature Regulation," Dans Life: The Science of Biology, 9th ed. (Sunderland: Sinauer Associates, 2009), 839.
John W. Kimball, "The Transport of Heat," Kimball’s Biology Pages, consulté le 25 juin 2014, http://www.biology-pages.info/H/HeatTransport.html.
Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, and Robert B. Jackson, "Homeostatic Processes for Thermoregulation Involve Form, Function, and Behavior," Dans Campbell Biology, 10th ed. (San Francisco: Pearson, 2011), 881.
Worthington Biochemical Corporation, "Temperature Effects," Introduction to Enzymes, consulté le 25 juin 2016, http://www.worthington-biochem.com/introbiochem/tempeffects.html.
Sara M. Hiebert and Jocelyne Noveral, "Are Chicken Embryos Endotherms or Ectotherms? A Laboratory Exercise Integrating Concepts in Thermoregulation and Metabolism," Advances in Physiology Education 31, no. 1 (2007): 97-109, http://dx.doi.org/10.1152/advan.00035.2006.

Références

Akin, Jonathan A. "Homeostatic Processes for Thermoregulation." Nature Education Knowledge 3, no. 10 (2011): 7. http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/homeostatic-processes-for-thermoregulation-23592046.

Boundless. "Homeostasis: Thermoregulation." Boundless Anatomy and Physiology. Consulté le 26 mai 2016. https://www.boundless.com/physiology/textbooks/boundless-anatomy-and-physiology-textbook/nutrition-and-metabolism-24/metabolic-rate-and-thermoregulation-234/homeostasis-thermoregulation-1157-11974/.

Brenglemann, G. "Temperature Regulation." Dans Physiology and Biophysics, édité par T. C. Ruch et H. D. Patton. Vol. III, 105-135. 20th ed. Philadelphia: Saunders, 1973.

Campbell, Kirsten. "How Does Temperature Affect Metabolism?" Consulté le 24 juin 2016. http://sciencing.com/temperature-affect-metabolism-22581.html

Cannon, Barbara and Jan Nedergaard. "Nonshivering Thermogenesis and Its Adequate Measurement in Metabolic Studies." Experimental Biology 214 (2011): 242-253. http://dx.doi.org/10.1242/jeb.050989.

Castellini, Michael. "Thermoregulation." Dans Encyclopedia of Marine Mammals, edité par William F. Perrin, Bernd Würsig et J. G. M. Thewissen, 1166-1170. 2nd ed. Burlington: Academic Press, 2009.

"Convection." Biology-Forums.com. Consulté le 10 octobre 2011. biology-forums.com/definitions/index.php?title=Convection.

Frappell, P. and K. Cummings. "Sources of Heat." Dans Encyclopedia of Ecology, 1885-1888. Amsterdam: Elsevier, 2008.

Ganong, W. F. "Temperature Regulation." Dans Review of Medical Physiology, 177-181. 9th ed. Los Altos: Lange Medical Publications, 1979.

Gillam, Paul. "Thermoregulation: A* Understanding for iGCSE Biology." PMG Biology. Consulté le 22 février 2015. https://pmgbiology.com/tag/thermoregulation/.

Heindl, Alex L. "Rattlesnakes." Consulté le 24 juin 2016. http://www.alongtheway.org/rattlesnakes/basics.html.

Hiebert, Sara M. and Jocelyne Noveral. "Are Chicken Embryos Endotherms or Ectotherms? A Laboratory Exercise Integrating Concepts in Thermoregulation and Metabolism." Advances in Physiology Education 31, no. 1 (2007): 97-109. http://dx.doi.org/10.1152/advan.00035.2006.

"Heat Transfer." HyperPhysics. Consulté le 24 juin 2016. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html.

Kimball, John W. "The Transport of Heat." Kimball’s Biology Pages. Consulté le 25 juin 2014. http://www.biology-pages.info/H/HeatTransport.html.

McNab, Brian Keith. "The Impact of Endothermic Hibernation." The Physiological Ecology of Vertebrates: A View From Energetics, 383-385. Ithaca: Comstock Publishing Associates, 2002.

Meek, Roger. "Reptiles, Thermoregulation, and the Environment." British Chelonia Group. Consulté le 9 juillet 2016. http://www.britishcheloniagroup.org.uk/testudo/v4/v4n2thermoreg.

"Mesotherm." Wikipédia. Consulté le 17 février 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Mesotherm.

Nishiura, James. "Effect of Temperature on Enzyme Activity." Consulté le 27 mai 2016. http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/enz_act.htm.

OpenStax. "Energy and Heat Balance." OpenStax CNX. Consulté le 19 juin 2013. http://cnx.org/contents/x9vl-NZc@3/Energy-and-Heat-Balance.

OpenStax. "Homeostasis." OpenStax CNX. Consulté le 26 juin 2013. https://cnx.org/contents/BP24ZReh@7/Homeostasis.

Oswald, Nick. "Why Do Enzymes Have Optimal Temperatures?" Bitesize Bio, le 21 juin 2016 (dernière modification au moment de la rédaction de cet article). http://bitesizebio.com/120/why-do-enzymes-have-optimal-temperatures/.

Purves, William K., David Sadava, Gordon H. Orians, and H. Craig Heller. "41.7 Endotherms and Ectotherms." Dans Life: The Science of Biology, 788. 7th ed. Sunderland: Sinauer Associates, 2003.

Raven, Peter H., George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, and Susan R. Singer. "Regulating Body Temperature." Dans Biology, 877-882. 10th ed., AP ed. New York: McGraw-Hill, 2014.

Reece, Jane B., Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, et Robert B. Jackson. "Homeostatic Processes for Thermoregulation Involve Form, Function, and Behavior." Dans Campbell Biology, 878-883. 10th ed. San Francisco: Pearson, 2011.

Ricklefs, Robert E. and Gary L. Miller. "Adaptations Match the Temperature Optima of Organisms to the Temperature of the Environment." Dans Ecology, 86-88. 4th ed. New York: W. H. Freeman and Company, 2000.

Sadava, David E., David M. Hillis, H. Craig Heller, and May Berenbaum. "Physiology, Homeostasis, and Temperature Regulation." Dans Life: The Science of Biology, 832-848. 9th ed. Sunderland: Sinauer Associates, 2009.

Starr, Cecie and Ralph Taggart. "Heat Gains and Losses." Dans Biology: The Unity and Diversity of Life, 749. 11th ed. Belmont: Thomson/Brooks-Cole, 2006.

Starr, Cecie and Ralph Taggart. "Temperature Regulation in Mammals." Dans Biology: The Unity and Diversity of Life, 750-751. 11th ed. Belmont: Thomson/Brooks-Cole, 2006.

"Thermoregulation." Wikipédia. Consulté le 14 juin 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoregulation.

"Wind Chill." Wikipédia. Consulté le 15 mars 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_chill.

Worthington Biochemical Corporation. "Temperature Effects." Introduction to Enzymes. Consulté le 25 juin 2016. http://www.worthington-biochem.com/introbiochem/tempeffects.html.

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