Respiromètre, coefficient thermique de l’O₂ et métabolisme basal : mesurer ce que notre corps « brûle » chaque jour.
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La dépense énergétique et le métabolisme basal
Module I : Le monde vivantSéquence 2 : Dépense énergétique des organismesSéances 8-9 : Évaluation de la dépense énergétique ; facteurs de variation et métabolisme basal
💡 Idée principale : l’organisme dépense de l’énergie en permanence, même au repos. On l’évalue par calorimétrie, le plus souvent de façon indirecte à partir du volume de dioxygène consommé (≈ 20 kJ par litre d’O₂). Cette dépense varie avec l’activité, la température, l’âge et le sexe ; sa valeur minimale est le métabolisme basal.
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Étapes résumées
Calorimétrie directe : on mesure la chaleur dégagée ; indirecte : on mesure l’O₂ consommé.
La dépense augmente avec l’effort, le froid ou la chaleur, la croissance ; elle est plus forte chez le garçon.
Métabolisme basal : dépense minimale d’un sujet au repos, à jeun depuis 12 h, à la neutralité thermique.
Situation problème
Au quartier Akwa à Douala, Samuel est conducteur de moto-taxi ; sa sœur Rachel est secrétaire et reste assise toute la journée. Ils mangent les mêmes repas. Rachel prend du poids alors que Samuel reste mince. Leur cousin, étudiant en médecine, affirme : « Chacun de vous dépense une quantité d’énergie différente, et même endormis, vos corps consomment de l’énergie ».
Consignes :
Relève le problème posé par cette situation.
Pourquoi le corps dépense-t-il de l’énergie même pendant le sommeil ?
Comment pourrait-on mesurer l’énergie dépensée par Samuel et par Rachel ?
Compétence visée
Sensibiliser sur les déséquilibres énergétiques des organismes et leurs conséquences, en évaluant ses propres dépenses.
Objectifs de la leçon
Décrire les méthodes d’évaluation de la dépense énergétique.
Calculer une dépense énergétique à partir du volume d’O₂ consommé.
Identifier les facteurs de variation et définir le métabolisme basal.
le problèmel’objectifje réfléchis
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Évaluer la dépense énergétique
1. La calorimétrie directe
Toute l’énergie dépensée finit sous forme de chaleur. On enferme l’animal dans une enceinte isolée (calorimètre) entourée d’une masse d’eau connue : la chaleur dégagée réchauffe l’eau. Q = m × c × (θf − θi) avec c = 4,18 kJ·kg⁻¹·°C⁻¹Cette méthode est précise mais lourde : elle est surtout utilisée chez de petits animaux.
Activité 1 : le respiromètre (calorimétrie indirecte)
Une souris est placée dans une enceinte fermée, maintenue à température constante. La potasse absorbe le CO₂ rejeté. L’O₂ consommé crée une dépression qui déplace le liquide du manomètre ; on rétablit le niveau en injectant de l’O₂ grâce à la burette.
Document 1 : principe du respiromètre.
Pourquoi place-t-on de la potasse dans l’enceinte ?
Que représente le volume d’O₂ qu’il faut injecter pour ramener le manomètre à zéro ?
Ce qu’il faut comprendre : la potasse retient le CO₂ : la variation de volume ne dépend que de l’O₂ consommé. Le volume d’O₂ injecté est égal au volume d’O₂ consommé par l’animal. Comme l’énergie provient de l’oxydation des nutriments, on peut en déduire la dépense énergétique.
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2. Coefficient thermique (ou énergétique) de l’O₂
quantité d’énergie libérée par la consommation d’un litre de dioxygène. Il vaut environ 21 kJ/L pour le glucose, 19,6 kJ/L pour les lipides, 18,8 kJ/L pour les protides ; pour une alimentation mixte, on retient 20 kJ/L.
Au repos, assise, Rachel consomme 0,30 L d’O₂ par minute. Calcule sa dépense énergétique en une heure, puis en 24 h si elle gardait ce rythme (coefficient thermique : 20 kJ/L).
Solution : Volume d’O₂ en 1 h : 0,30 × 60 = 18 L. Dépense en 1 h : 18 × 20 = 360 kJ. Dépense en 24 h : 360 × 24 = 8 640 kJ.
les kilojoulesle budgetdates et durées
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Les facteurs de variation de la dépense énergétique
Activité 2 : dépense et activité physique
On mesure la consommation d’O₂ d’un élève avant, pendant et après 8 minutes de course sur le terrain du lycée.
Document 2 : consommation de dioxygène au cours d’un effort.
Décris l’évolution de la consommation d’O₂.
Pourquoi reste-t-elle élevée après la fin de l’effort ?
Ce qu’il faut comprendre : la consommation d’O₂, donc la dépense énergétique, est multipliée par 8 pendant l’effort : les muscles ont besoin de beaucoup d’ATP. Après l’effort, elle diminue lentement : l’organisme rembourse la « dette d’oxygène » (élimination de l’acide lactique, reconstitution des réserves).
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Activité 3 : dépense et température extérieure
On mesure la consommation d’O₂ d’un homme habillé, au repos et à jeun, à différentes températures extérieures.
Document 3 : consommation d’O₂ en fonction de la température extérieure.
Pour quelle zone de température la dépense est-elle minimale ?
Explique l’augmentation de la dépense quand il fait froid.
Ce qu’il faut comprendre : la dépense est minimale entre 18 et 24 °C environ : c’est la zone de neutralité thermique. Quand il fait froid, l’organisme homéotherme produit plus de chaleur (frissons, oxydations) pour garder 37 °C. Quand il fait très chaud, la sudation et l’accélération cardiaque augmentent aussi la dépense.
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Les autres facteurs de variation
L’âge
Rapportée à la surface corporelle, la dépense est forte chez l’enfant en croissance et diminue chez la personne âgée.
Le sexe
À âge égal, elle est un peu plus élevée chez le garçon que chez la fille (plus de masse musculaire).
La taille
Les petits animaux perdent plus de chaleur par unité de masse : leur dépense par kg est plus forte.
L’état physiologique
Grossesse, allaitement, fièvre, hyperthyroïdie augmentent la dépense.
Le métabolisme basal
3. Métabolisme basal
dépense énergétique minimale d’un sujet éveillé, au repos physique et intellectuel (allongé), à jeun depuis 12 heures, placé à la neutralité thermique. Il couvre les besoins vitaux : cœur, respiration, tonus musculaire, activité des cellules, maintien de 37 °C.
la naissancele cortexle groupe sanguin
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4. Valeurs moyennes du métabolisme basal
Sujet
Métabolisme basal (kJ·m⁻²·h⁻¹)
Enfant de 6 ans
≈ 210
Garçon de 16 ans
≈ 180
Fille de 16 ans
≈ 160
Homme de 30 ans
≈ 160
Femme de 30 ans
≈ 150
Personne de 70 ans
≈ 140
On l’exprime par m² de surface corporelle pour pouvoir comparer des individus de tailles différentes. Il représente 50 à 70 % de la dépense quotidienne d’une personne sédentaire.
Exemple guidé : calculer un métabolisme basal
Allongé, à jeun et à 20 °C, Samuel (surface corporelle 1,8 m²) consomme 15 L d’O₂ par heure. Calcule son métabolisme basal en kJ·m⁻²·h⁻¹ puis sa dépense basale en 24 h.
Solution : Dépense par heure : 15 × 20 = 300 kJ/h. Par m² : 300 ÷ 1,8 ≈ 167 kJ·m⁻²·h⁻¹ : valeur normale pour un homme jeune. En 24 h : 300 × 24 = 7 200 kJ, uniquement pour rester en vie.
l’énergie (ATP)la famillel’embryon
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Intérêt médical
Un métabolisme basal anormalement élevé peut signaler un dysfonctionnement de la thyroïde (hyperthyroïdie).
Connaître sa dépense aide à adapter sa ration alimentaire (leçon suivante).
Trace écrite : ce que je retiens
À retenir
L’organisme dépense de l’énergie en permanence ; toute cette énergie finit sous forme de chaleur.
On mesure la dépense par calorimétrie directe (chaleur) ou indirecte (O₂ consommé, respiromètre).
Dépense énergétique = volume d’O₂ × coefficient thermique (≈ 20 kJ/L pour un régime mixte).
Elle varie avec l’activité physique, la température, l’âge, le sexe, la taille et l’état physiologique.
Le métabolisme basal est la dépense minimale mesurée au repos, à jeun et à la neutralité thermique.
je retiensla températurela chaleur
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Vocabulaire à connaître
Calorimétriemesure de la quantité de chaleur dégagée.Respiromètreappareil qui mesure le volume d’O₂ consommé.Coefficient thermique de l’O₂énergie libérée par litre d’O₂ consommé.Homéothermeanimal à température interne constante.Neutralité thermiquetempérature extérieure où la dépense de régulation thermique est minimale.
Je m’évalue
1. Quel rôle joue la potasse dans le respiromètre ?
2. Un sujet consomme 0,5 L d’O₂/min. Quelle est sa dépense en 10 min ?
3. Pourquoi la dépense augmente-t-elle quand il fait froid ?
4. Cite deux conditions de mesure du métabolisme basal.
Réponses : elle absorbe le CO₂ rejeté · 0,5 × 10 × 20 = 100 kJ · pour produire plus de chaleur et garder 37 °C · à jeun depuis 12 h ; au repos ; neutralité thermique. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.
le dégagement d’O₂la lumièrele suivi
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Erreurs fréquentes
Confondre métabolisme basal (minimum vital) et dépense totale de la journée.
Oublier de convertir les minutes en heures dans les calculs de dépense.
Croire que la dépense est nulle pendant le sommeil : le cœur, le cerveau et la respiration fonctionnent toujours.
Méthode
Pour résoudre un calcul de dépense énergétique : écris la formule, vérifie les unités (L, min, h), calcule d’abord le volume total d’O₂, puis multiplie par le coefficient thermique ; conclus par une phrase avec l’unité (kJ ou kJ·m⁻²·h⁻¹).
Activité d’intégration
Le club de football d’un lycée de Garoua prépare un tournoi. L’entraîneur relève : au repos, un joueur consomme 0,25 L d’O₂/min ; pendant un match, 2,5 L/min. Il fait 38 °C à l’ombre et certains joueurs s’entraînent à midi.
Calcule la dépense énergétique du joueur pendant un match de 90 minutes.
Compare-la à sa dépense au repos pendant la même durée.
Explique l’effet de la forte chaleur sur la dépense et donne deux conseils à l’entraîneur.