Pourquoi l’humain, si lent, peut-il épuiser les animaux sur une longue distance ?
― Un corps rare : il se refroidit à la sueur tout en courant
Sur une courte distance, l’humain ne rivalise ni avec le cerf ni avec le chien. Mais quand la course dure des heures, tout change. Son corps serait conçu pour se mesurer aux autres animaux non par la vitesse, mais par sa capacité à évacuer la chaleur en courant.
Si vous faites la course avec un chien dans un parc, il vous distance en un instant. Même le détenteur d’un record du monde ne dépasse guère 44 km/h. Le guépard, lui, atteindrait près de 100 km/h : l’humain n’en fait pas la moitié.
Pourtant, des dizaines de milliers de personnes participent à des marathons populaires et courent 42 km. Si vous emmeniez un chien sur la même distance, il s’arrêterait sans doute en chemin, la langue pendante, haletant.
Pourquoi ces animaux, pourtant rapides, s’épuisent-ils les premiers ? La clé, c’est la « chaleur » qui s’accumule dans un corps en course.
Deux atouts seulement pour l’endurance
La peau humaine est parsemée de pores à sueur, et les poils sont fins. En séchant, la sueur emporte de la chaleur : on peut se refroidir sans cesser de courir.
Un quadrupède au galop ne pourrait respirer qu’une fois par foulée. L’humain, sur deux jambes, choisit librement combien de pas pour une respiration.
En courant, les muscles transforment en chaleur la plus grande partie de l’énergie dépensée. Sur longue distance, ce n’est pas la puissance de course qui décide, mais la façon d’évacuer cette chaleur. Voyons cela étape par étape.
Raison 1 : la sueur, un refroidisseur utilisable en courant
Des calories tirées de la nourriture, les muscles n’en convertissent qu’environ un quart en travail pour avancer. Tout le reste devient chaleur. Même à petite allure, le corps dégage en continu l’équivalent de plusieurs radiateurs électriques.
Sans évacuation, la température du corps monte sans cesse. L’humain transpire donc. Quand l’eau de la sueur se change en vapeur sur la peau, elle prélève beaucoup de chaleur alentour. Nos pores à sueur (glandes sudoripares) seraient de 2 à 4 millions sur tout le corps.
Beaucoup d’autres animaux n’ont pas cette chance. Le chien n’a de pores qu’aux coussinets et se refroidit en évaporant l’eau de sa langue. Chez les animaux à fourrure, le pelage sèche mal et la chaleur s’échappe difficilement. La finesse de nos poils serait une adaptation pour que la sueur sèche.
Jusqu’où la sueur permet-elle de refroidir ? Regardez la figure 1. Plus on court vite, plus la chaleur produite (trait plein montant) augmente. Dès qu’elle dépasse la chaleur que la sueur peut évacuer (ligne pointillée horizontale), la température du corps se met à monter.
Pour une personne de 60 kg qui produit 1 litre de sueur par heure, le calcul montre qu’elle peut évacuer sa chaleur jusqu’à environ 12 km/h (le calcul est dans la section repliable finale). Des athlètes entraînés peuvent transpirer près de 2 litres par heure, et tenir donc une allure plus rapide.
Raison 2 : choisir soi-même le rythme de sa respiration
Quand un quadrupède galope à fond, son corps se courbe et s’étire largement d’avant en arrière. Le contenu de la poitrine et du ventre est poussé à chaque foulée comme par un piston. Il ne pourrait donc respirer qu’une fois par foulée.
Le chien et le cerf évacuent la chaleur non par la sueur, mais par une respiration rapide (le halètement). Or, au galop, leur fréquence respiratoire est liée à leurs pas. Quand la chaleur s’accumule, ils n’ont d’autre choix que de s’arrêter pour reprendre leur souffle.
L’humain, qui court sur deux jambes, a un thorax peu contraint par la foulée. Il peut respirer une fois tous les 2 pas, ou tous les 3 pas, à son gré. Et comme le refroidissement relève de la sueur, la respiration peut se consacrer à l’apport d’oxygène.
Dans le désert du Kalahari, en Afrique australe, on a documenté des chasses où l’on poursuit pendant des heures, en plein jour, une grande antilope. À chaque fuite, la proie accumule de la chaleur ; rattrapée avant d’avoir pu se reposer et se refroidir, elle finit par ne plus pouvoir bouger. Mais le cheval est l’un des rares animaux qui transpirent comme nous. Dans une course anglaise opposant hommes et chevaux sur des chemins de montagne, ce sont le plus souvent les chevaux qui gagnent ; les victoires humaines sont rares.
Le tendon d’Achille, au talon, et la voûte plantaire s’étirent un peu à chaque réception et emmagasinent de l’énergie. Ils la restituent à la poussée suivante. Grâce à ce « ressort », une partie de l’effort de course serait réutilisée.
Ce mode de refroidissement a pourtant une faiblesse. La sueur n’emporte de la chaleur que lorsqu’elle sèche. Par temps lourd, quand elle ne sèche pas, ou en cas de manque d’eau, la ligne pointillée de la figure 1 chute nettement. Pour courir longtemps en été, il est essentiel de boire souvent et de ralentir. Ce qui se passe quand la chaleur du corps dépasse la limite est expliqué dans l’article sur le coup de chaleur.
En résumé
L’humain perd contre les autres animaux en vitesse pure. Mais grâce à ses nombreuses glandes sudoripares et à ses poils fins, il évacue la chaleur en courant ; et en détachant sa respiration du rythme des pas, il peut courir pendant des heures. Sur longue distance, ce qui décide, c’est la capacité à évacuer la chaleur sans relâche.
L’humain ne joue pas sur la vitesse,
mais sur sa capacité à « courir en se refroidissant ».
Pour savoir comment se refroidissent les animaux qui ne transpirent pas, lisez pourquoi le chien halète la langue pendante ; pour comprendre comment le corps produit de la chaleur quand il a froid, pourquoi le corps frissonne.
- Montez sur une balance avant de courir, puis après 10 à 20 minutes de course (sans boire en route, sur un temps court). L’essentiel de la perte de poids est de l’eau évacuée par la sueur et le souffle.
- En courant, comptez combien de pas vous faites par inspiration. Le rythme devrait changer entre une allure lente et une allure un peu plus rapide.
- Enroulez une serviette mouillée autour de votre bras et faites-lui du vent avec un éventail. La fraîcheur qui s’installe à mesure qu’elle sèche vient du même mécanisme que la sueur qui emporte la chaleur.
Faites l’expérience de pesée un jour où vous êtes en forme, à une heure fraîche. En cas de vertiges ou de malaise, arrêtez aussitôt et reposez-vous.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de SVT ou de physique au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire, absente du lycée (physiologie de l’exercice, physiologie comparée, anthropologie)
- RechercheSujets encore étudiés, qui ne sont pas des acquis même à l’université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Glande sudoripare (eccrine) : petit organe de la peau qui produit la sueur. Chez l’humain, elle est répartie sur tout le corps et sert à abaisser la température.
- Chaleur latente de vaporisation : chaleur prélevée alentour quand un liquide devient gaz. Un gramme de sueur qui sèche prélèverait environ 2,4 kilojoules.
- Halètement : refroidissement par évaporation de l’eau de la langue et de la bouche grâce à une respiration rapide et peu profonde. Utilisé par les animaux qui transpirent peu, comme le chien ou le cerf.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle est l’allure maximale que la sueur peut compenser ?
On cherche la vitesse à laquelle la chaleur produite en courant égale la chaleur prélevée par la sueur qui sèche. On suppose une journée chaude et on ignore toute chaleur évacuée autrement que par la sueur.
| En symboles | v ＝ L × m ÷ （ f × C × M ） |
| En mots | vitesse maximale compensable ＝ chaleur évacuable par la sueur en 1 heure ÷ chaleur produite par kilomètre parcouru |
| D’où vient-elle ? | Du bilan thermique qui maintient la température constante : l’égalité « chaleur produite en courant ＝ chaleur évacuée par la sueur » (conservation de l’énergie), résolue pour la vitesse |
| L | Chaleur de vaporisation de la sueur (kilojoules/gramme) |
| m | Quantité de sueur séchant en 1 heure (grammes) |
| f | Part de l’énergie dépensée qui devient chaleur |
| C | Énergie dépensée pour courir 1 km par kg de masse (kilojoules) |
| M | Masse (kg) ; v est la vitesse (km/h) |
| Masse M | 60 kg |
| Énergie C pour courir 1 km par kg (à peu près indépendante de la vitesse) | environ 1 kilocalorie ＝ environ 4,2 kilojoules |
| Part devenant chaleur f | environ 0,8 |
| Chaleur de vaporisation de la sueur L | environ 2,4 kilojoules par gramme |
| Sueur séchant en 1 heure m | 1000 grammes (1 litre) |
| Chaleur évacuable par la sueur en 1 heure (kilojoules) | 1000 × 2,4 ＝ 2400 |
| Énergie dépensée pour courir 1 km (kilojoules) | 60 × 4,2 ＝ 252 |
| Part qui devient chaleur (kilojoules) | 252 × 0,8 ＝ 201,6 |
| Vitesse maximale compensable (km/h) | 2400 ÷ 201,6 ≒ 11,9 |
| Refroidissement par la sueur converti en watts (1 heure ＝ 3600 secondes) | 2400000 ÷ 3600 ≒ 667 |
Environ 12 km/h, c’est un kilomètre en 5 minutes environ. C’est proche de l’allure d’un coureur amateur qui boucle un marathon en 3 h 30 environ : avec 1 litre de sueur, aller plus vite fait s’accumuler la chaleur dans le corps. Avec 2 litres, la limite double, près de 24 km/h. En réalité, la limite est plus basse, à cause de l’humidité et de la sueur qui ruisselle sans sécher.
LycéeLycée+Thermorégulation et évolution de la course
LycéeLa température du corps est maintenue par l’hypothalamus, qui règle le débit sanguin cutané et la quantité de sueur. Quand l’effort réchauffe le corps, les vaisseaux de la peau se dilatent, amènent le sang chaud à la surface et la sueur le refroidit.
Lycée+Chez les quadrupèdes, on connaît le « couplage locomoteur-respiratoire » : une foulée au galop correspond à une respiration. Chez l’humain, une étude de 1983 a montré que ce rapport peut varier : 4 pour 1, 3 pour 1, 2 pour 1, etc.
Univ.L’hypothèse de la course d’endurance et le bilan thermique
En 2004, le biologiste Bramble et l’anthropologue Lieberman ont proposé l’« hypothèse de la course d’endurance » : beaucoup de traits du corps humain auraient été sélectionnés pour courir longtemps. Parmi les arguments : la longueur du tendon d’Achille, la voûte plantaire, le ligament nucal qui stabilise la tête, et les gros muscles fessiers. En physiologie de l’exercice, les échanges de chaleur du corps sont traités par l’« équation du bilan thermique » : à la chaleur issue du métabolisme, on retranche les termes de travail, de conduction, de convection, de rayonnement et d’évaporation. Le calcul de cet article est une approximation qui ne garde que le terme d’évaporation.
📖 Dérivation et approfondissements : article de Bramble et Lieberman (Nature, 2004) ／ Chaleur latente de vaporisation (Wikipédia)
RechercheCe qu’on ne sait pas encore clairement
- Dans quelle mesure la chasse à l’épuisement était-elle répandue ? Les cas documentés sont limités, et certains contestent qu’elle ait été une méthode de chasse principale dans l’histoire humaine.
- Quand nos poils sont-ils devenus fins ? Les poils ne se fossilisent pas ; la date n’est estimée qu’indirectement, par les gènes notamment, avec une marge importante.
- Jusqu’où peut-on entraîner le corps à la chaleur ? On sait qu’en s’acclimatant, on transpire plus tôt et plus abondamment, mais les différences individuelles et les mécanismes de la limite sont encore à l’étude.
Le contenu de cet article est donc « une explication dans l’état actuel des connaissances ». En particulier, l’idée que « l’humain a évolué pour courir » est une hypothèse sérieuse parmi d’autres, non un acquis établi.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans l’article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : changements d’état, corps des animaux | La sueur qui sèche prend de la chaleur, glandes sudoripares |
| Lycée | SVT : maintien du milieu intérieur / physique : quantité de chaleur | Thermorégulation par l’hypothalamus, calcul du bilan thermique |
| Lycée+ | SVT approfondie : comportement animal et évolution | Couplage pas–respiration |
| Univ. | Physiologie de l’exercice · anthropologie biologique | Hypothèse de la course d’endurance, équation du bilan thermique |
| Recherche | Évolution humaine, acclimatation à la chaleur | Diffusion de la chasse à l’épuisement, date de la perte des poils |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi boire et ralentir en courant l’été |
- Bramble, D. M. & Lieberman, D. E. (2004) Endurance running and the evolution of Homo. Nature 432, 345–352.
- Bramble, D. M. & Carrier, D. R. (1983) Running and breathing in mammals. Science 219, 251–256.
- Liebenberg, L. (2006) Persistence hunting by modern hunter-gatherers. Current Anthropology 47, 1017–1026.
- Glandes sudoripares (汗腺) - Wikipédia en japonais
- Daniel E. Lieberman, Histoire du corps humain en 6 millions d’années (édition japonaise : 『人体600万年史』, Hayakawa Shobo)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique. Les valeurs indiquées sont des repères et des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. La quantité de sueur et la résistance à la chaleur varient beaucoup d’une personne à l’autre. Pour l’exercice par temps chaud, n’allez pas au-delà de vos moyens et suivez les consignes des organisateurs et des autorités locales sur les coups de chaleur.