Endotherme -Endotherm
| Thermorégulation chez les animaux |
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Un endotherme (du grec ἔνδον endon " à l' intérieur" et θέρμη thermē "chaleur") est un organisme qui maintient son corps à une température métaboliquement favorable, en grande partie grâce à l'utilisation de la chaleur dégagée par ses fonctions corporelles internes au lieu de compter presque uniquement sur la chaleur ambiante . Cette chaleur générée en interne est principalement un produit accessoire du métabolisme de routine de l'animal , mais dans des conditions de froid excessif ou de faible activité, un endotherme peut appliquer des mécanismes spéciaux adaptés spécifiquement à la production de chaleur. Les exemples incluent l'effort musculaire à fonction spéciale comme les frissons et le métabolisme oxydatif découplé comme dans le tissu adipeux brun.. Seuls les oiseaux et les mammifères sont des groupes d'animaux universellement endothermiques. Certains tégu noir et blanc d'Argentine , les requins lamnides, les thons et les istiophoridés sont également endothermiques.
Dans le langage courant, les endothermes sont caractérisés comme " à sang chaud ". L'opposé de l'endothermie est l' ectothermie , bien qu'en général, il n'y ait pas de séparation absolue ou claire entre la nature des endothermes et des ectothermes.
Origine
L'endothermie est née vers la fin de la période permienne , il y a environ 252 à 259 millions d'années.
Mécanismes
Génération et conservation de la chaleur
De nombreux endothermes ont une plus grande quantité de mitochondries par cellule que les ectothermes. Cela leur permet de générer de la chaleur en augmentant la vitesse à laquelle ils métabolisent les graisses et les sucres . En conséquence, pour maintenir leur métabolisme plus élevé, les animaux endothermiques ont généralement besoin de plusieurs fois plus de nourriture que les animaux ectothermiques, et ont généralement besoin d'un apport plus soutenu en carburant métabolique.
Chez de nombreux animaux endothermiques, un état temporaire contrôlé d' hypothermie conserve l'énergie en permettant à la température corporelle de chuter presque jusqu'aux niveaux ambiants. Ces états peuvent être des cycles circadiens brefs et réguliers appelés torpeur , ou ils peuvent se produire dans des cycles beaucoup plus longs, voire saisonniers, appelés hibernation . La température corporelle de nombreux petits oiseaux (par exemple les colibris ) et de petits mammifères (par exemple les tenrecs ) chute considérablement pendant l'inactivité quotidienne, comme la nuit chez les animaux diurnes ou pendant la journée chez les animaux nocturnes , réduisant ainsi le coût énergétique du maintien de la température corporelle. Une réduction intermittente moins drastique de la température corporelle se produit également dans d'autres endothermes plus grands; par exemple, le métabolisme humain ralentit également pendant le sommeil, entraînant une baisse de la température centrale, généralement de l'ordre de 1 degré Celsius. Il peut y avoir d'autres variations de température, généralement plus petites, soit endogènes, soit en réponse à des circonstances extérieures ou à un effort vigoureux, et soit une augmentation, soit une baisse.
Le corps humain au repos génère environ les deux tiers de sa chaleur par le métabolisme dans les organes internes du thorax et de l'abdomen, ainsi que dans le cerveau. Le cerveau génère environ 16% de la chaleur totale produite par le corps.
La perte de chaleur est une menace majeure pour les petites créatures, car elles ont un plus grand rapport surface/volume . Les petits animaux à sang chaud ont une isolation sous forme de fourrure ou de plumes . Les animaux aquatiques à sang chaud, tels que les phoques , ont généralement de profondes couches de graisse sous la peau et tout pelage qu'ils pourraient avoir; les deux contribuent à leur isolation. Les pingouins ont à la fois des plumes et de la graisse. Les plumes de pingouin ressemblent à des écailles et servent à la fois à l'isolation et à la rationalisation. Les endothermes qui vivent dans des conditions très froides ou des conditions prédisposant à la perte de chaleur, telles que les eaux polaires, ont tendance à avoir des structures spécialisées de vaisseaux sanguins à leurs extrémités qui agissent comme des échangeurs de chaleur . Les veines sont adjacentes aux artères pleines de sang chaud. Une partie de la chaleur artérielle est conduite vers le sang froid et recyclée dans le tronc. Les oiseaux, en particulier les échassiers , ont souvent des mécanismes d'échange de chaleur très développés dans leurs pattes - ceux des pattes des manchots empereurs font partie des adaptations qui leur permettent de passer des mois sur la glace hivernale de l'Antarctique. En réponse au froid, de nombreux animaux à sang chaud réduisent également le flux sanguin vers la peau par vasoconstriction pour réduire la perte de chaleur. En conséquence, ils blanchissent (deviennent plus pâles).
Éviter la surchauffe
Dans les climats équatoriaux et pendant les étés tempérés, la surchauffe ( hyperthermie ) est une menace aussi grande que le froid. Dans des conditions chaudes, de nombreux animaux à sang chaud augmentent la perte de chaleur en haletant, ce qui refroidit l'animal en augmentant l' évaporation de l'eau dans la respiration et / ou en rinçant, augmentant le flux sanguin vers la peau afin que la chaleur rayonne dans l'environnement. Les mammifères sans poils et à poils courts, y compris les humains et les chevaux, transpirent également , car l'évaporation de l'eau contenue dans la sueur élimine la chaleur. Les éléphants se rafraîchissent en utilisant leurs énormes oreilles comme des radiateurs dans les automobiles. Leurs oreilles sont fines et les vaisseaux sanguins sont proches de la peau, et battre des oreilles pour augmenter le flux d'air au-dessus d'eux provoque le refroidissement du sang, ce qui réduit leur température corporelle centrale lorsque le sang se déplace dans le reste du système circulatoire.
Avantages et inconvénients d'un métabolisme endothermique
Le principal avantage de l'endothermie par rapport à l'ectothermie est une vulnérabilité réduite aux fluctuations de la température extérieure. Indépendamment de l'emplacement (et donc de la température externe), l'endothermie maintient une température centrale constante pour une activité enzymatique optimale.
Les endothermes contrôlent la température corporelle par des mécanismes homéostatiques internes. Chez les mammifères, deux mécanismes homéostatiques distincts sont impliqués dans la thermorégulation : un mécanisme augmente la température corporelle, tandis que l'autre la diminue. La présence de deux mécanismes distincts offre un degré de contrôle très élevé. Ceci est important car la température centrale des mammifères peut être contrôlée pour être aussi proche que possible de la température optimale pour l'activité enzymatique.
Le taux global du métabolisme d'un animal augmente d'un facteur d'environ deux pour chaque augmentation de température de 10 °C (18 °F) , limité par la nécessité d'éviter l' hyperthermie . L'endothermie ne fournit pas une plus grande vitesse de mouvement que l'ectothermie (sang froid) - les animaux ectothermes peuvent se déplacer aussi vite que les animaux à sang chaud de la même taille et se développer lorsque l'ectotherme est proche ou à sa température optimale, mais souvent ne peuvent pas maintenir un métabolisme élevé. activité aussi longtemps que les endothermes. Les animaux endothermiques/homéothermiques peuvent être actifs de manière optimale à plusieurs moments du cycle diurne dans les lieux de fortes variations de température entre le jour et la nuit et pendant une plus grande partie de l'année dans les lieux de grandes différences saisonnières de température. Cela s'accompagne de la nécessité de dépenser plus d'énergie pour maintenir la température interne constante et d'un besoin alimentaire plus important. L'endothermie peut être importante pendant la reproduction, par exemple pour élargir la plage thermique sur laquelle une espèce peut se reproduire, car les embryons sont généralement intolérants aux fluctuations thermiques facilement tolérées par les adultes. L'endothermie peut également fournir une protection contre les infections fongiques . Alors que des dizaines de milliers d'espèces fongiques infectent les insectes, seules quelques centaines ciblent les mammifères, et souvent uniquement ceux dont le système immunitaire est affaibli . Une étude récente suggère que les champignons sont fondamentalement mal équipés pour prospérer aux températures des mammifères. Les températures élevées offertes par l'endothermie auraient pu fournir un avantage évolutif.
Les ectothermes augmentent leur température corporelle principalement grâce à des sources de chaleur externes telles que l'énergie solaire ; par conséquent, ils dépendent des conditions environnementales pour atteindre les températures corporelles opérationnelles. Les animaux endothermiques utilisent principalement la production de chaleur interne par le biais d'organes et de tissus métaboliques actifs (foie, rein, cœur, cerveau, muscle) ou de tissus spécialisés produisant de la chaleur comme le tissu adipeux brun (BAT). En général, les endothermes ont donc des taux métaboliques plus élevés que les ectothermes à une masse corporelle donnée. En conséquence, ils ont également besoin de taux d'apport alimentaire plus élevés, ce qui peut limiter davantage l'abondance des endothermes que des ectothermes.
Parce que les ectothermes dépendent des conditions environnementales pour la régulation de la température corporelle, ils sont généralement plus lents la nuit et le matin lorsqu'ils sortent de leurs abris pour se réchauffer au premier soleil. L'activité de recherche de nourriture est donc limitée à la journée (modèles d'activité diurne) dans la plupart des ectothermes de vertébrés. Chez les lézards, par exemple, seules quelques espèces sont connues pour être nocturnes (par exemple, de nombreux geckos) et elles utilisent principalement des stratégies de recherche de nourriture « s'asseoir et attendre » qui peuvent ne pas nécessiter des températures corporelles aussi élevées que celles nécessaires à la recherche active de nourriture. Les espèces de vertébrés endothermiques sont donc moins dépendantes des conditions environnementales et ont développé une grande variabilité (tant au sein qu'entre les espèces) dans leurs schémas d'activité diurne.
On pense que l'évolution de l'endothermie a été cruciale dans le développement de la diversité des espèces de mammifères euthériens au cours de la période mésozoïque. L'endothermie a donné aux premiers mammifères la capacité d'être actifs pendant la nuit tout en conservant une petite taille corporelle. Les adaptations de la photoréception et la perte de protection UV caractérisant les mammifères euthériens modernes sont comprises comme des adaptations à un mode de vie originellement nocturne, suggérant que le groupe a traversé un goulot d'étranglement évolutif (l' hypothèse du goulot d'étranglement nocturne ). Cela aurait pu éviter la pression des prédateurs des reptiles et des dinosaures diurnes, bien que certains dinosaures prédateurs, étant également endothermiques, aient pu adapter un mode de vie nocturne afin de s'attaquer à ces mammifères.
Endothermie facultative
De nombreuses espèces d'insectes sont capables de maintenir une température thoracique supérieure à la température ambiante en faisant de l'exercice. Ceux-ci sont connus sous le nom d'endothermes facultatifs ou d'exercice. L' abeille mellifère , par exemple, le fait en contractant des muscles de vol antagonistes sans bouger ses ailes (voir thermorégulation des insectes ). Cette forme de thermogenèse n'est cependant efficace qu'au-dessus d'un certain seuil de température, et en dessous d'environ 9 à 14 ° C (48 à 57 ° F), l'abeille revient à l'ectothermie.
L'endothermie facultative peut également être observée chez plusieurs espèces de serpents qui utilisent leur chaleur métabolique pour réchauffer leurs œufs. Python molurus et Morelia spilota sont deux espèces de pythons où les femelles entourent leurs œufs et frissonnent pour les incuber.
Endothermie régionale
Il a été démontré que certains ectothermes , dont plusieurs espèces de poissons et de reptiles , utilisent l'endothermie régionale, où l'activité musculaire fait que certaines parties du corps restent à des températures plus élevées que le reste du corps. Cela permet une meilleure locomotion et une meilleure utilisation des sens dans les environnements froids.
Contraste entre la terminologie thermodynamique et biologique
En raison d'un accident historique, les étudiants rencontrent une source de confusion possible entre la terminologie de la physique et de la biologie. Alors que les termes thermodynamiques « exothermique » et « endothermique » désignent respectivement des processus qui dégagent de l'énergie thermique et des processus qui absorbent de l'énergie thermique, en biologie le sens est effectivement inversé. Les termes métaboliques « ectotherme » et « endotherme » désignent respectivement les organismes qui dépendent largement de la chaleur externe pour atteindre une température de travail complète, et les organismes qui produisent de la chaleur de l'intérieur comme un facteur majeur dans le contrôle de leur température corporelle.