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«MANTEAU n. m. Vêtement que les enfants doivent enfiler lorsque les adultes ont froid»

«MANTEAU n. m. Vêtement que les enfants doivent enfiler lorsque les adultes ont froid»

Pourquoi certaines personnes résistent-elles au froid? Pourquoi d’autres supportent mal les températures au-delà de 28°C? Pourquoi d’autres encore semblent à l’aise par toutes les températures? Pourquoi les enfants n’ont pas de veste pendant la récréation en plein hiver, alors que les surveillant·es grelottent? Métabolisme, muscles, hormones… Petite excursion dans la thermodynamique du corps humain.

Deux mètres carrés d’échanges thermiques

En révélant que l’espèce humaine doit désormais être considérée comme un singe parmi les autres, Darwin nous a fait tomber d’un fameux piédestal, celui qui nous faisait dominer la masse animale. Pourtant, affirmer qu’Homo sapiens serait, biologiquement parlant, un «singe tout à fait banal», me semble exagéré. Observons un Gorille, un Chimpanzé, un Bonobo, et un humain sur une plage: quelle différence saute aux yeux? L’absence de fourrure, bien sûr! Comme le mentionne le zoologiste Desmond Morris dans son livre[1] le plus célèbre, s’il fallait chausser des lunettes de primatologue pour étudier notre espèce, il conviendrait de la nommer d’après cette extraordinaire nudité. Ainsi, de même qu’il existe l’épervier à pieds courts, la Mouche bleue ou le Campagnol terrestre, nous serions des «Singes nus», ou à la rigueur des «Singes à fourrure crâno-pubienne», pour plus de précision.

Il existe de multiples théories (qui ne s’excluent d’ailleurs pas mutuellement) pour expliquer cette caractéristique étrange. Mais, d’après l’hypothèse dominante, qui nous intéresse ici, nos deux mètres carrés de peau nue jouent un rôle majeur pour la survie en milieu chaud et sec.

Survivre dans la savane

Comme tout mammifère, Homo sapiens doit conserver une température fixe, sous peine de graves dysfonctionnements. Si le thermomètre interne affiche quelques degrés de plus ou de moins que les fameux 37°C, la situation peut devenir critique, voire mortelle[2]. Dès lors, comment éviter au Singe nu l’hyperthermie lorsqu’il court dans la savane ensoleillée, son milieu originel?

Pour éviter un excès d’énergie thermique, le corps humain doit jouer sur deux tableaux: d’une part, éviter de faire rentrer trop de chaleur dans le corps, et d’autre part, l’évacuer. Ce tour de force thermodynamique, notre peau permet de le résoudre efficacement.

D’une part, le sommet de la tête, pourvue de fourrure, fait barrage contre l’énergie des rayons solaires venant du zénith (il suffit de voir à quel point les personnes chauves souffrent un midi d’été sous les tropiques). D’autre part, toute notre surface de peau nue, bien pourvue en glandes su doripares, devient une surface d’échange, où la transpiration joue admirablement bien le rôle de l’élimination de la chaleur.

Autrement dit, sans transpiration, un effort physique sous le soleil pourrait mener rapidement à une augmentation de la température corporelle d’une dizaine de degrés, et donc à une hyperthermie mortelle

Le miracle de l’évaporation

La thermodynamique nous enseigne en effet que l’évaporation d’un litre de sueur sur une personne moyenne (une quantité tout à fait normale en une heure de marche au soleil) permet d’évacuer 2 400 kJ, ce qui permet de contrer un réchauffement d’environ 10°C. Autrement dit, sans transpiration, un effort physique sous le soleil pourrait mener rapidement à une augmentation de la température corporelle d’une dizaine de degrés, et donc à une hyperthermie mortelle.[3] Notre sueur sur peau nue nous sauve la vie! Ou, pour dire les choses plus correctement du point de vue évolutionniste: sueur et peau sans poil ont permis au Singe nu de coloniser des régions de savane ensoleillée.

Notons que ce magnifique système de refroidissement, presque unique dans le monde animal, nécessite de boire suffisamment, bien sûr, et ne fonctionne pas dans une atmosphère très humide. En effet, un air chaud saturé en humidité (zones forestières tropicales, par exemple), ne pouvant accueillir plus de vapeur d’eau, interdira l’évaporation de la transpiration. Un effort physique intense dans une atmosphère chaude très humide peut donc devenir dangereux.

En route vers le Nord: se défendre contre les basses températures

Il y a quelques centaines de milliers d’années, des vagues successives de Singes nus, animaux plutôt adaptés aux climats chauds, sortent d’Afrique et prennent la direction du Nord. Cette fois-ci, voici notre animal sans fourrure confronté au problème thermodynamique inverse: garder de l’énergie thermique pour éviter l’hypothermie, c’està-dire une chute de température trop loin sous les 37°C.

Les lois de la physique et le bon sens, nous indiquent qu’il existe essentiellement deux moyens de garder en quantité suffisante une substance, quelle qu’elle soit: limiter les pertes et augmenter la production. Cela est vrai pour l’argent, bien sûr, mais aussi pour l’énergie[4]. C’est donc dans ces deux directions, limiter les pertes et produire la chaleur, que la sélection naturelle va opérer pour équiper le Singe nu sur sa route vers le Nord.

Curieusement, l’évolution, qui parfois revient en arrière, n’a pas redonné de la fourrure aux humain·e·s en route vers le Nord. Mais, pour limiter les pertes d’énergie, elle a favorisé les physionomies à large carrure et faible hauteur

Limiter les pertes d’énergie

Curieusement, l’évolution, qui parfois revient en arrière[5], n’a pas redonné de la fourrure aux humain·e·s en route vers le Nord. Mais, pour limiter les pertes d’énergie, elle a favorisé les physionomies à large carrure et faible hauteur. Pourquoi? La physique nous enseigne que, à volume donné, la forme géométrique qui conserve le mieux la chaleur est la sphère. Aucun humain n’est sphérique, bien sûr, mais se rapprocher de la sphère en favorisant les physionomies petites et carrées, comme chez les peuples de l’Arctique, permet une meilleure conservation de la chaleur. Les Africain·es en revanche ont conservé une carrure plus fine et élancée, mieux adaptée à l’évacuation de la chaleur.

Autre façon de limiter les pertes: améliorer l’isolation. Le singe a perdu sa fourrure depuis des millions d’années? Qu’à cela ne tienne, la sélection naturelle lui tricote une petite couche de graisse, un isolant assez efficace, quoique sans doute moins que la fourrure. Bien sûr, en plus de cela, la confection de vêtements fournit un excellent isolant permettant une colonisation du Nord moins hasardeuse.

Augmenter la production d’énergie

Tout humain produit en permanence de la chaleur: notre métabolisme de base, c’està-dire l’ensemble des réactions chimiques qui fournit l’énergie nécessaire à notre survie (fonctionnement des organes, élimination des pathogènes, etc.), fournit environ 100 W de puissance thermique chez l’adulte. Pour raccrocher ce nombre à des grandeurs connues, mentionnons qu’un grille-pain moyen fournit 1000 W. Un humain chauffe donc dix fois moins qu’un grille-pain! C’est assez peu finalement, mais suffisant, dans des conditions habituelles, pour entretenir les 37°C d’une personne adulte correctement isolée.

En cas de coup de froid, comment augmenter cette production? La réponse est évidente, mais trop souvent négligée: bouger. En effet, comme un moteur de voiture, un muscle en activité chauffe énormément. Un adulte en effort physique relativement modéré produit facilement 200 W thermiques, et en produira 500 W lors d’un effort plus intense. La puissance d’un demi grille-pain! Cela peut sembler peu, mais c’est largement suffisant, et même souvent excédentaire, pour faire face à des basses températures. En l’absence de ces mouvements conscients, le corps met en marche d’autres mouvements involontaires: grelotter, claquer des dents, ces réactions naturelles fournissent quelques Watts pour lutter contre le risque d’hypothermie.

Une mutation musculaire

Dans une étude assez récente[6], des chercheurs ont annoncé la découverte d’un «gène de la résistance au froid». L’étude montre que des personnes présentant une déficience dans la production d’une certaine protéine musculaire (la «alpha-actinine 3») conservent mieux leur température interne en cas d’exposition au froid. Chez ces personnes, les muscles semblent plus efficaces pour générer de la chaleur, alors qu’ils le sont moins pour des efforts brusques. Sans surprise, on retrouve cette mutation chez les marathoniens, mais pas chez les personnes douées pour le sprint. On estime qu’une personne sur cinq présente cette «anomalie», défavorable pour fuir un prédateur, mais favorable pour coloniser le Nord.

Égaux face au chaud et froid?

En résumé, dans la résistance au chaud et au froid interviennent plusieurs facteurs génétiques comme la carrure, l’absence ou non de la protéine alpha-actinine 3. De nombreux autres facteurs fragilisent face aux changements de température, comme l’âge, la fatigue, l’alimentation, les problèmes hormonaux, en particulier de thyroïde, les problèmes vasculaires, la prise de toxiques, notamment l’alcool.

Mais pour une bonne régulation thermique, que l’on possède ou non le «gène du froid», notre meilleur allié reste notre musculature en action. Une activité physique régulière possède un effet à court terme (la chaleur procurée pendant l’effort), mais aussi à long terme, car elle augmente la masse musculaire et le métabolisme de base. En somme, bouger améliore la capacité de notre chaudière interne, à tous les niveaux.

Thermodynamique de la cour de récré

Revenons dans la cour de récréation, par un après-midi d’hiver où le thermomètre affiche 5°C. Que voit-on?

On y note, d’une part, des adultes immobiles, surveillant les enfants. Leur métabolisme de base, dont les 100 W théoriques sont peut-être diminués par la fatigue ou d’autres petits maux d’adultes (thyroïde, circulation, etc.), maintiennent avec peine une température de 37°C. Peut-être même que leur réflexe de tremblement s’est-il mis en route… Dans la cour, des enfants, qui ont probablement joyeusement envoyé promener leurs manteaux après cinq minutes de jeu, courent, sautent et crient. Leur musculature en activité leur procure une puissance thermique largement suffisante, et même excédentaire, pour maintenir une bonne température corporelle. Quelques adultes plus ou moins frigorifiés donc, et des enfants qui ignorent le froid, pour la bonne raison… qu’ils n’ont pas froid.

Et lorsque les premiers, animés certes d’une bonne intention[7], obéissant à un signal d’alerte venant de leur propre corps, forcent les seconds à enfiler leurs vêtements chauds, sans tenir compte du fait que les petites chaudières biologiques fonctionnent à plein régime, on se rappelle cette boutade en forme de définition: «MANTEAU n. m.: vêtement que les enfants doivent enfiler lorsque les adultes ont froid».

François Chamaraux, docteur en sciences, enseignant en mathématiques et sciences


[1] D. Morris, Le singe nu.

[2] Risque de décès au-delà de 41°C ou au-dessous de 28°C.

[3] Il s’agit d’un calcul très simplifié: d’autres mécanismes permettent tout de même l’évacuation de la chaleur, mais de façon moins efficace.

[4] Le parallèle entre argent et énergie est souvent pertinent en physique!

[5] Les mammifères marins, par exemple, descendent de mammifères terrestres qui descendent d’animaux marins.

[6] Loss of α-actinin-3 during human evolution provides superior cold resilience and muscle heat generation, https://doi.org/10.1016/j. ajhg.2021.01.013

[7] Et probablement sous une certaine pression de parents angoissés!

Photo ©Thom Holmes – https://unsplash.com