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Mesures des dépenses énergétiques: calorimétrie directe

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L’application du premier principe de la thermodynamique(conservation de l’énergie) aux échanges d’énergie entre un organisme vivant et le milieu externe où il vit a été une des grandes étapes dans le développement des sciences biologiques et cliniques (pathologie thyroïdienne, exercice musculaire, nutrition, etc.). Ce principe permet de dire que la quantité d’énergie cédée ou gagnée par un système (fournisseur ,les aliments, ou consommateur ,l’organisme) quand il passe d’un état à un autre est la même quel que soit le chemin parcouru dans l’intervalle.
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Un examen rapide de la circulation de l’énergie contenue dans les aliments entre le milieu extérieur et l’organisme permet alors de définir les différents types de méthodes d’évaluation des dépenses énergétiques de l’organisme.

1. Dénominations classiques:

Il n’est pas inutile à ce propos de relever une certaine ambiguïté des dénominations classiques. On appelle calorimétrie directe la mesure la plus indirecte des dépenses énergétiques de l’organisme parce qu’effectivement il s’agit de mesurer directement la chaleur produite bien que celle-ci ne soit que le reflet ultime et, pour ainsi dire, parasite et marginal, de la dépense d’énergie. Par contre, les méthodes dites indirectes (du point de vue de la mesure de chaleur produite, préoccupation ici accessoire) mesurent directement soit l’énergie fournie elle-même (calorimétrie alimentaire) soit le carburant nécessaire (calorimétrie respiratoire). Ces appellations, qui gardent tout leur sens en physiologie de la thermorégulation, sont cependant consacrées par l’usage et seront donc conservées ici.

2. mesures faites sur des individus et mesures faites sur des collectivités:

Les préoccupations des physiologistes de laboratoire se sont longtemps limitées à l’étude de l’individu placé dans des conditions expérimentales définies. Le développement de la diététique contrôlée des collectivités plus ou moins nombreuses et les problèmes posés par des populations entières vivant ou mourant de faim, dans leurs conditions naturelles, appelle l’attention sur de nouvelles méthodes d’appréciation des besoins énergétiques liées à la vie des humains.

mesures des dépenses énergétiques d’un individu

Calorimétrie directe

Le sujet est placé dans une enceinte close isolé thermiquement de l’extérieur et dans laquelle une circulation d’eau ajustée en conséquence maintient une température constante en emportant la chaleur produite (Q).
La mesure de la quantité (M) d’eau ayant circulé et des températures d’entrée (01) et de sortie (02) permet de calculer cette dernière, directement en Cal, la chaleur massique de l’eau étant égale à 1.
Il faut tenir compte, en plus de la chaleur évacuée dans l’atmosphère de la chambre et emportée au fur et à mesure par l’eau de refroidissement, de la chaleur perdue par évaporation (dans la respiration ou sur la peau) : l’organisme dépense 0,58 Cal pour chaque gramme d’eau vaporisée.
L’énergie totale émise par le sujet est la somme de (1) la chaleur emportée par l’eau du serpentin et (2) la chaleur latente de vaporisation de l’eau de la respiration et de la perspiration (ou transpiration en cas de travail) dont la masse est mesurée par la variation de poids de l’absorbeur d’eau et (3) le travail effectué sur des systèmes placés à l’intérieur de la chambre. Le travail effectué à l’intérieur de la chambre (la bicyclette) se retrouve en (1) et (2). L’absorbeur de CO2 et l’alimentation en O2 maintiennent un air normal et permettent de mesurer V O2 et le quotient respiratoire, la variation du poids de l’absorbeur de CO2 donnant V CO2.
Technique encombrante et laborieuse et d’usage de nos jours exceptionnel, la chambre calorimétrique a cependant apporté une justification expérimentale indispensable et très réconfortante aux méthodes de mesures indirectes et permet encore, par des mesures séparées des différentes voies de déperdition de la chaleur (radiation ,radiomètres placés dans l’enceinte , évaporation, convection) d’effectuer une calorimétrie répartitive, dans des conditions diverses de travail, d’habillement, etc.

Calorimétrie indirecte

1. Calorimétrie respiratoire : C’est, à l’opposé de la précédente, la plus facile et la plus commune des méthodes utilisées, au prix de quelques approximations en règle non gênantes.
Elle peut se ramener à une simple mesure de la consommation d’oxygène par mesure en circuit fermé (la plus ancienne) ou ouvert (avec recueil du gaz expiré dans des ballons ou associant dans un même embout buccal un débitmètre et un système de prélèvement des gaz expirés permettant leur analyse en continu et, parfois des calculs automatisés).
La connaissance de la seule mesure de la consommation d’oxygène permet, en utilisant un équivalent énergétique moyen de l’oxygène de calculer une valeur approchée, en règle suffisante, de la dépense énergétigue . La connaissance simultanée de la production de CO2 (calculée à p.utir de l’analyse des gaz expirés) permet de tenir compte du quotient (variation de volume de la cloche en fonction du temps) de la consommation d’énergie par respiration en circuit fermé. A et B tracés obtenus à l’exercice (A) et au repos (B). La fréquence respiratoire, le volume courant et donc la ventilation peuvent être déterminés à partir des mêmes tracés.
respiratoire dans le choix de la valeur de l’équivalent énergétique de l’oxygène utilisé. Enfin, une dernière précision peut être apportée par l’utilisation d’un quotient respiratoire dit non protéique si l’on a pris soin de mesurer, en même temps, la production d’urée. Dans ce dernier cas, I les quantités des différents aliments utilisés peuvent alors être précisées! ce qui peut avoir un intérêt en soi et permet alors d’utiliser des équivalents énergétiques spécifiques pour chaque type d’aliments en proportion de leur participation à la dépense ‘ énergétique.
Tout l’azote protéique est excrété par l’urine : il représente, en moyenne 16 p. 100, en poids des protéines oxydées. Il suffit donc de multiplier l’excrétion urinaire d’azote (éliminée en 1 h par exemple) par j6,5 (100:16) pour avoir la quantité de protéines consommées pendant ce 1 temps-là.
2. Calorimétrie alimentaire : Elle consiste à analyser ies repas et les excrétas et à calculer, en additionnant l’énergie fournie par chaque type d’aliment, la différence entre l’énergie fournie et l’énergie restituée : elle correspond à la dépense énergétique. Elle peut se contenter de calculer la valeur énergétique de différentes rations alimentaires ou de différents repas.
I n fait, la méthode est rarement utilisée pour connaître la dépense im-rgétique d’un individu donné. Elle est plutôt, dans ce cas, utilisée I iiis le sens contraire, à savoir pour calculer une ration alimentaire important une quantité voulue d’énergie avec une composition décidée >1 uvance en protides, glucides et lipides : ce calcul sert de base à la diétique.
Par contre, la calorie alimentaire reste, pratiquement, la seule utilisable quand il s’agit d’apprécier la dépense énergétique de groupes entiers il individus.

mesures des dépenses énergétiques des collectivités

Bilans alimentaires

La seule méthode applicable est, ici, celle des bilans alimentaires. Elle_ est d’application relativement aisée sur de petites collectivités à l’économie bien prise en charge : enquêtes familiales, cantines scolaires, restaurants d’entreprise, casernes, équipes sportives en déplacement ou en stages, groupes de personnes âgées, etc. Ces études fournissent des valeurs moyennes concernant des individus sensiblement équivalents dans le groupe, en alimentation plus ou moins spontanée et se font soit sur enquêtes par formulaires individuels soit par l’intendance.
La méthode est d’application et d’interprétation beaucoup plus incommode quand il s’agit d’ensembles ouverts et hétérogènes (villages, pays entiers). Les bilans doivent être très minutieux et tenir compte non seulement des échanges avec l’extérieur et de la production locale mais aussi de « réserves » plus ou moins périssables et de date d’utilisation variable par rapport à l’étude (semences, alimentation du bétail, stocks d’importance variable). Il est, enfin, parfois très difficile d’inférer de ces études globales ce qui revient à chaque individu : outre les « fuites » dans un sens ou dans l’autre, la distribution intergroupes et la répartition entre les individus ne sont pas sans être très souvent biaisées entraînant des effets de structure (distorsions par variation des coefficients de pondération dans le calcul des moyennes).
Près de 23 p. 100 de la population de 86 pays étudiés en 1975 par la FAO (Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture) totalisant 2 milliards d’habitants (soit 436 millions d’individus) étaient sous-alimentés. Seuls 24 pays sur ces 86 voient leur production alimentaire croître plus vite que leur population. Pour les autres, aucun espoir n’apparaît clairement de voir leur situation s’améliorer.