Le stress thermique chez l'homme
L’être humain est un être d’une complexité et d’une créativité étonnantes, capable de survivre dans certains des environnements les plus extrêmes de notre planète. Grâce à des processus physiques, des adaptations culturelles et à l’ingéniosité humaine, notre espèce prospère partout, des chaleurs des jungles équatoriales aux déserts subtropicaux. Cet article présente les principes fondamentaux, complexes et fascinants, de la thermophysiologie humaine, offrant une compréhension de base de la manière dont l’être humain s’adapte aux températures élevées et survit dans des conditions de chaleur extrême.
Principes fondamentaux de la chaleur métabolique
Fondamentalement, tous les mammifères sont des moteurs thermiques qui brûlent un carburant pour produire un travail. Pour illustrer cela, prenons l'analogie d'un moteur à combustion interne. Les moteurs brûlent de l'essence (ou du diesel) en raison de la forte densité énergétique des hydrocarbures.[1] De la même manière qu'un moteur de voiture brûle de l'essence pour produire un travail, le corps humain convertit l'énergie chimique des aliments que nous consommons (lipides, protéines et glucides) en fonctions biologiques essentielles à la vie quotidienne. Dans les deux cas – pour la voiture comme pour le corps – ce processus libère de la chaleur ; chez l'humain, on parle de chaleur métabolique. Comme l'être humain ne possède pas de radiateur mécanique comme une voiture, il utilise des méthodes bien plus adaptables et fascinantes pour dissiper ou éviter cette chaleur. Cependant, si – comme pour un moteur en surchauffe – le corps humain génère plus de chaleur qu'il ne peut en dissiper, les processus biologiques cessent de fonctionner correctement. Dans le cas d'une voiture classique, cela signifie appeler une dépanneuse. Chez l'humain, un dépassement de la capacité de dissipation de la chaleur métabolique peut être fatal.
Maintenir une température corporelle centrale stable est une nécessité biologique pour tous les êtres humains, ce qui nous classe (ainsi que les autres mammifères) parmi les endothermes (du grec endo , signifiant « à l'intérieur », et therm , signifiant « chaleur »). Cette température se situe généralement autour de 37 °C , avec une légère variation d'environ 0,6 °C selon des facteurs individuels et le moment de la journée . Plus la température corporelle centrale s'éloigne de cette plage, plus le risque de conséquences néfastes pour la santé est élevé. Si la température centrale chute trop brutalement, on parle d'hypothermie (du grec « en dessous de la chaleur »), dont les symptômes vont des frissons à la perte de conscience, voire à la mort. La température centrale peut chuter de façon surprenante avant de devenir fatale. En 1999, une Suédoise a été réanimée après avoir été piégée sous la glace, malgré une température corporelle centrale de 13,7 °C , soit 23 °C en dessous de la normale !
À l'autre extrémité du spectre, l'hyperthermie (du grec « au-dessus de la chaleur ») désigne une température corporelle anormalement élevée due à l'incapacité du corps à dissiper la chaleur. Il existe une différence entre l'élévation de la température centrale causée par l'hyperthermie et celle provoquée par la fièvre. Aussi désagréable soit-elle, la fièvre est un mécanisme de régulation physiologique : notre corps ajuste délibérément sa température interne en réponse à une infection. En revanche, l'hyperthermie résulte de l'incapacité du corps, malgré tous ses efforts, à maintenir une température stable ; notre température interne reste aux alentours de 37 °C , mais la température centrale augmente néanmoins.
Comme la chaleur excessive et le froid extrême peuvent être mortels, il n'est pas surprenant que l'être humain occupe une niche climatique – une sorte de « zone habitable » – où les températures ne sont généralement ni trop élevées ni trop basses pour être fatales. Cette niche se situe autour d'une température annuelle moyenne de 11 à 15 °C . Bien sûr, des populations vivent en dehors de cette fourchette – pensons aux populations autochtones de l'Arctique ou du désert du Kalahari, qui ont développé des pratiques culturelles très différentes – mais à l'échelle mondiale, les populations restent concentrées dans les régions du globe où la température annuelle moyenne se situe dans cette fourchette.
Hyperthermie et coup de chaleur
Lorsque la capacité du corps à maintenir une température interne stable est dépassée, les maladies liées à la chaleur deviennent un problème de santé majeur. Ces maladies se manifestent par un large éventail de symptômes, allant d'affections relativement bénignes comme les crampes et les syncopes de chaleur (évanouissements dus à la chaleur) au coup de chaleur – une urgence médicale caractérisée par un dysfonctionnement du système nerveux central (délire, convulsions et coma) pouvant entraîner la mort. Aux États-Unis, les maladies liées à la chaleur constituent un défi réel et croissant ; les Centres pour le contrôle et la prévention des maladies (CDC) ont recensé 119 605 passages aux urgences pour des maladies liées à la chaleur en 2023, les mois de mai à septembre ayant enregistré des températures record et un nombre de cas sans précédent.
Les personnes ayant survécu à un coup de chaleur présentent souvent des complications neurologiques et organiques à long terme. On distingue deux types de coups de chaleur : les coups de chaleur d’effort et les coups de chaleur non liés à l’effort. Bien que les deux résultent de l’incapacité du corps à contrôler l’élévation de sa température interne, les mécanismes sous-jacents diffèrent.
Le coup de chaleur non lié à l'effort physique touche principalement les personnes âgées et les très jeunes enfants. Chez ces populations, les mécanismes de refroidissement de l'organisme, tels que l'accélération du rythme cardiaque et la transpiration, sont limités en raison de l'âge avancé ou, chez l'enfant, de l'immaturité des réponses biologiques. Les facteurs externes, comme la température, sont la principale cause de l'élévation de la température corporelle. Pour reprendre notre analogie avec la voiture, lors d'un coup de chaleur non lié à l'effort physique, le système de refroidissement de l'organisme est défaillant ou dysfonctionnel. Une forte proportion des décès survenus lors des vagues de chaleur les plus meurtrières de l'histoire récente – dont plus de 30 000 décès lors de la vague de chaleur européenne de 2003 et plus de 500 décès lors de celle qui a frappé la région de Chicago en 1995 – concernait des personnes âgées. Ce n'est pas un hasard si les appels aux services d'urgence augmentent de 18 % lors des vagues de chaleur extrêmes .
À l'inverse, le coup de chaleur à l'effort est plus fréquent chez les personnes jeunes, souvent en bonne santé et en excellente condition physique, notamment les athlètes, les militaires et les travailleurs en extérieur. Une étude publiée dans le British Medical Journal a révélé que le coup de chaleur à l'effort est la troisième cause de mortalité chez les athlètes lors d'une activité physique, avec un taux de mortalité supérieur à un cas sur quatre . Les maladies liées à la chaleur au sein de l'armée américaine sont si graves que le Congrès a exigé un rapport annuel sur le sujet.
Bien que des facteurs externes comme la température et l'humidité jouent un rôle, le coup de chaleur lié à l'effort physique résulte principalement d'une élévation de la température corporelle interne due à l'activité physique. Les muscles humains sont étonnamment inefficaces ; selon le type d'activité, 75 à 80 % des calories brûlées sont converties en chaleur résiduelle qui doit être dissipée. Plus l'activité physique est intense, plus notre métabolisme (c'est-à-dire notre consommation de calories) est élevé. Comparée au repos, une activité physique intense peut générer jusqu'à dix fois plus de chaleur métabolique. Pour certaines activités, la production de chaleur métabolique atteint un seuil critique où même les mécanismes de refroidissement physiologique des individus jeunes et en bonne santé ne parviennent plus à compenser la chaleur produite ; médicalement parlant, le corps passe d'un stress thermique « compensable » à un stress thermique « incompensable ». Pour reprendre notre analogie avec la voiture : le coup de chaleur lié à l'effort physique est comparable à un poids lourd gravissant une route de montagne escarpée. Quiconque a déjà conduit sur l'autoroute à travers les Rocheuses a constaté que même les camions bien entretenus roulent plus lentement et empruntent des voies réservées pour éviter la surchauffe.
Garder son sang-froid – Un superpouvoir humain
Le maintien d'une température corporelle stable exige un équilibre constant. Même au repos, les processus physiologiques essentiels à la survie (comme les battements du cœur et l'activité cérébrale) génèrent de la chaleur métabolique. Si nous ne pouvions dissiper cette chaleur, notre température corporelle augmenterait d'environ 1,1 °C par heure . Heureusement, l'organisme humain est généralement très efficace pour réguler sa température corporelle.
Thermorégulation et physiologie
Sur le plan physiologique, nous perdons de la chaleur de trois manières : par convection, par rayonnement et par évaporation (une quatrième, la conduction, est généralement négligeable – nous y reviendrons plus loin). Les pertes de chaleur par convection et par rayonnement sont similaires ; elles résultent toutes deux d’un flux de chaleur d’une surface chaude (comme la peau) vers une surface plus froide (comme l’air). La convection se distingue par le fait qu’elle nécessite un fluide (ici, l’air), tandis que le rayonnement implique un transfert d’énergie par ondes électromagnétiques. Abstraction faite des aspects physiques, les êtres humains émettent un rayonnement dans le spectre infrarouge – un fait exploité par les moustiques et les militaires pour localiser des cibles.
Chez l'être humain, le transfert de chaleur par convection et rayonnement est un processus bidirectionnel. Le second principe de la thermodynamique stipule que la chaleur se propage du chaud vers le froid. La chaleur se propage également plus rapidement lorsque la différence de température entre deux objets est plus grande (conformément à la loi de Fourier sur la conduction thermique). Par temps frais, la convection peut suffire à dissiper l'excès de chaleur corporelle. Ce n'est pas le cas par temps chaud. La température de la surface de la peau étant d'environ 35 °C , l'environnement doit être plus frais pour que le corps puisse évacuer la chaleur par convection ou rayonnement ; s'il fait plus chaud, la chaleur est en réalité absorbée par l'environnement ! Parallèlement, nous produisons constamment de la chaleur métabolique. L'équilibre entre la production et l'évacuation de cette chaleur métabolique par convection et rayonnement requiert une température ambiante inférieure à 30,5 °C .
Bien sûr, on peut survivre à des températures supérieures à 30,5 °C ! Nous possédons un super-pouvoir presque unique dans le règne animal : la capacité de transpirer abondamment. La transpiration permet d'évacuer la chaleur corporelle grâce à l'évaporation de la sueur à la surface de la peau. L'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau étant élevée, une quantité importante de chaleur peut être dissipée. Par temps chaud, le rythme cardiaque augmente généralement et les vaisseaux sanguins proches de la peau se dilatent, permettant ainsi à la chaleur d'être transportée du centre du corps vers la peau et libérée dans l'environnement par évaporation. Ce transfert de chaleur s'effectue dans une seule direction : vers l'extérieur, en s'éloignant du corps . [2] La transpiration est si efficace que le même effet rafraîchissant théorique ne pourrait être obtenu que par convection, si l'on se tenait nu à l'extérieur, par un vent de 3 km/h, lors de la journée la plus froide jamais enregistrée aux États-Unis.
Malheureusement, atteindre un refroidissement maximal par la transpiration est illusoire. Pour que la transpiration soit efficace, la sueur doit s'évaporer de la peau ; la sueur qui goutte ne vous rafraîchit pas. Comme tout super-pouvoir hollywoodien, la transpiration a sa limite : l'humidité . Lorsque l'humidité relative est élevée, l'air peut contenir très peu de vapeur d'eau, ce qui réduit l'évaporation de la sueur ; à 100 % d'humidité relative, il n'y a pas d'évaporation. Toutes choses égales par ailleurs, la perte de chaleur par la transpiration diminue à mesure que l'humidité augmente. C'est pourquoi une personne en bonne santé peut travailler à l'extérieur par des températures plus élevées en cas de chaleur sèche qu'en cas de chaleur humide, à condition d'avoir accès à suffisamment d'eau.
Thermorégulation et adaptation
En tant qu'êtres humains, nous possédons un autre moyen d'exceller dans la thermorégulation. Les pratiques culturelles et comportementales, ainsi que les innovations, nous aident à supporter les fortes chaleurs. Les pratiques culturelles vont des vêtements traditionnels – comme la tenue bédouine dans le désert d'Arabie – à la sieste, ou périodes de repos pendant les heures les plus chaudes de la journée, pratiquées dans de nombreuses cultures.
L'ingéniosité humaine joue également un rôle de plus en plus important. Aux États-Unis, le développement et la généralisation de la climatisation ont entraîné une baisse drastique des décès liés à la chaleur ; aujourd'hui, seuls les groupes socialement défavorisés n'ayant pas un accès fiable à la climatisation sont généralement considérés comme exposés aux risques de maladies liées à la chaleur non liées à l'exercice physique.
Alors que les records de température continuent d'être battus, de nouvelles innovations permettent de travailler et de profiter de ses loisirs malgré la chaleur. Des produits comme le Qore Performance ICEPLATE illustrent comment le corps humain peut être aidé à gérer sa température. Le port d'un gilet Qore sur le haut du corps induit un refroidissement par conduction directe, la chaleur étant transférée entre deux objets à températures différentes en contact direct (le corps et le gilet). Sans cet équipement innovant, la conduction thermique est généralement négligeable, voire un obstacle à la thermorégulation, en raison des propriétés isolantes des vêtements et des équipements de protection.
Conclusion
Grâce à leur physiologie unique et à leur esprit d'innovation, les êtres humains possèdent une extraordinaire capacité d'adaptation aux différents climats. Notre physiologie fonctionne comme une machine thermique, brûlant les aliments pour produire de l'énergie. Ce processus génère de la chaleur métabolique qui doit être dissipée pour maintenir une température corporelle stable. Si cette dissipation est défaillante, de graves problèmes de santé peuvent survenir, voire un coup de chaleur mortel.
Heureusement, l'être humain a développé de nombreuses stratégies pour réguler sa température corporelle. Physiologiquement, la transpiration est notre principal mécanisme de refroidissement. Culturellement et comportementalement, nous adaptons nos vêtements et nos activités. Les innovations technologiques, comme la climatisation et les vêtements rafraîchissants modernes, améliorent encore notre capacité à supporter la chaleur.
Face à la hausse continue des températures et aux records de chaleur battus, ces stratégies d'adaptation et ces innovations deviennent de plus en plus essentielles. En exploitant les ressources physiologiques humaines et en trouvant des solutions créatives, nous pouvons continuer à travailler et à vivre en toute sécurité, même dans des conditions de chaleur extrême.
À propos de l'auteur : Erik est doctorant à l'université Duke, où il étudie les défis que pose la hausse des températures à l'entraînement militaire. Vétéran de l'armée américaine, Erik a servi dans des climats extrêmes variés, allant des déserts du sud-ouest des États-Unis et du Moyen-Orient (49 °C) aux conditions arctiques du centre de l'Alaska (-41 °C).
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[1] Les voitures électriques ne sont pas des moteurs thermiques, même si le concept est similaire lorsqu'elles sont rechargées grâce à l'électricité d'une centrale thermique – dans ce cas, l'énergie chimique issue du charbon ou du gaz naturel est convertie en électricité dans la centrale. Cependant, notre comparaison est erronée si la voiture électrique est rechargée grâce à l'énergie nucléaire, solaire ou éolienne (énergie cinétique).
[2] Petite précision intéressante : dans les saunas humides, la surface de la peau est souvent l’élément le plus froid de la pièce. La vapeur d’eau contenue dans l’air saturé se condense sur la peau et libère de la chaleur. Ce processus est inverse à l’évaporation de la transpiration, mais repose sur le même principe physique.
