Estimation de la dépense énergétique d'une activité physique chez l'enfant

Une précision intéressante d'un de nos lecteurs

Un abonné de notre liste de diffusion a un jour posé une question aux autres membres concernant la dépense énergétique d'un enfant en activité, sans toutefois obtenir la réponse souhaitée. En voici maintenant une, très étoffée, que nous publions avec la permission de son auteur...



Le 20 mai 1999, Pascal Prévost, de France, écrivait:

Après une longue réflexion, je vais essayer de vous proposer une "petite" réflexion sur la question que nous a posée un membre de la liste il y a bien longtemps. Il s'agissait de savoir qu'elle était la quantité d'énergie consommée par un enfant de 6-9 ans durant une séance de natation de 20 minutes. Et comme à mon habitude, je vais vous montrer que, dès lors que l'on prend en considération la physiologie de l'enfant, les choses deviennent tout de suite plus compliquées.

Je vais donc commencer par vous exposer ce que l'on sait faire chez l'adulte puis on verra s'il est possible de transposer ce modèle à l'enfant.


1. Comment quantifier l'énergie dépensée par un adulte au cours d'une activité physique comme la natation?

Pour répondre à cette question, il est nécessaire de faire un bref rappel de bioénergétique. Rassurez-vous, c'est accessible à toute personne sachant faire les calculs de base. L'énergie nette dépensée dans une activité physique correspond à l'énergie brute à laquelle il faut soustraire l'énergie de repos (ou métabolisme de base) (*). Cette énergie est le vrai paramètre que l'on souhaite obtenir au bout du compte. La formule magique est donc:

E nette = E brute - E repos

En ce qui concerne la nage, on dispose d'outils physiologiques nous permettant de mesurer cette dépense énergétique de façon indirecte grâce aux mesures de VO2 qui ont été réalisées par diverses équipes de recherche.


1.1 Estimation de l'énergie brute

Prenons le cas d'un adulte de 25 ans qui s'exerce à une vitesse constante (et modérée) de nage. Dans cette situation, sa consommation d'oxygène est de 2 litres d'O2 par minute, soit 40 litres pour 20 minutes.

Il est possible de transformer cette consommation d'O2 en son équivalent d'énergie. Pour cela on utilise la conversion suivante: 1 litre d'O2 = 21 kJ (5 kcal) (**). Ce qui nous donne une dépense énergétique brute de énergétique, soit environ:

40 l * 21 kJ = 840 kJ (200 kcal) pour ces 20 minutes de nage


1.2 Estimation de l'énergie de repos

On sait que cette énergie est proportionnelle à la surface corporelle. Des nomogrammes (***) permettent d'obtenir directement une estimation de cette valeur à partir de la taille et de la masse de l'individu.

Si cet individu pèse 65 kg et mesure 174 cm, sa surface corporelle est d'environ 1,78 mètres carrés (m^2).

La valeur moyenne du métabolisme de base d'un homme de cet âge est d'environ 160 kJ (38 kcal)/m^2/h.

En multipliant la surface corporelle par le métabolisme de base on a l'énergie de repos, soit:

1.78 m^2 x 160 kJ/m^2/h = 285 kJ/h

On obtient ainsi une estimation de:

285 / 3 = 95 kJ (environ 23 kcal) pour 20 minutes.


1.3. Estimation de l'énergie nette

De là, on peut estimer l'énergie nette de l'activité:

840 - 95 = 745 kJ (environ 178 kcal)


2. Existe-t-il des différences en fonction du métabolisme sollicité?

OUI!!!

Les calculs que nous venons de voir ci-dessus ne sont malheureusement valables que pour les exercices réalisés à régime stable et dont l'intensité ne dépasse pas le VO2 max du sujet pour l'activité considérée (car il ne faut pas oublier qu'à chaque type d'activité correspond un niveau de VO2 max particulier!).

Dès lors que cette intensité est supérieure au VO2 max, une part de l'énergie est issue du métabolisme anaérobie et il s'ensuit une accumulation d'acide lactique. La dépense énergétique de ce type d'activité étant supérieure à celle de l'énergie fournie par le métabolisme aérobie, il faut mesurer le VO2 max à la fois durant l'exercice et pendant la période de récupération.

Le problème est alors le suivant: plus l'exercice a été intense, plus le VO2 mettra de temps à revenir à son niveau de base (métabolisme de repos). Ce délai peut aller jusqu'à 24 heures dans certains cas. Un exercice empruntant une partie de son énergie au métabolisme anaérobie entraînera donc en moyenne une dépense énergétique 10% plus élevée par rapport au même exercice réalisé en aérobie (même durée mais moins intense).


3. Est-ce que ces calculs sont toujours valables chez l'enfant?

Une fois de plus la réponse est non. Pourquoi?

Principalement pour trois raisons:

a) Le métabolisme de base

D'abord, il faut savoir que le métabolisme de base varie beaucoup chez l'enfant pendant son développement. En effet, son poids, sa taille et sa composition corporelle varient beaucoup pendant cette période.

Chez l'adulte (20 ans et +), le métabolisme relatif de repos (VO2/kg et non VO2 max / kg! Attention!!) reste relativement stable avec l'âge, ce paramètre diminue tout au long de la période de maturation chez l'enfant et l'adolescent.

En 1938, Robinson a montré que le VO2 moyen de repos (assimilable au métabolisme de repos) chutait de 7.35 ml/kg/min à 3.86 ml/kg/min entre 6 et 25 ans alors que le coût métabolique d'une marche de 15 minutes à 5.6 km/h sur un tapis roulant incliné à 8.6 % (= marche en côte) diminuait, passant de 25.7 à 23.5 ml/kg./min.

Le métabolisme de base d'un enfant est plus de deux fois celui d'une adulte. Il chute entre 6 et 18 ans de 19% et 27% respectivement chez les garçons et les filles (Knoebel 1963).


b) L'économie de mouvement ou efficacité motrice en fonction de la pratique

En fonction du type de nage et du niveau de pratique, on observe des différences de dépense énergétique pour un même exercice.

Par exemple, on peut estimer la dépense énergétique brute chez l'adulte en fonction du type de nage et de sa masse:

coef. de la nage x masse (kg) = dépense énergétique brute en kJ/min

Ces coefficients sont pour chaque nage:

brasse: 0.678
crawl lent: 0.536
crawl rapide: 0.653
dos crawlé: 0.707


c) L'économie de mouvement ou efficacité motrice en fonction de l'âge

Cette même efficacité varie aussi en fonction de l'âge sans que l'on sache encore vraiment pourquoi.

À mesure que l'on grandit, on dépense moins d'énergie pour un même exercice.

Astrand (1952) avait déjà montré que le VO2/kg à une course de 10 km/h sur tapis roulant diminue avec l'âge passant de 47 ml/kg/min à 4-6 ans à 39 ml/kg/min à 16-18 ans. Rowland et Cunningham (non publié) ont mesuré VO2/kg chez 20 garçons et filles pendant cinq ans, entre 9 et 13 ans. Ils ont mesuré l'économie sous-maximale de course sur tapis roulant à la fin de 4 minutes de marche à 3.5 km/h et une inclinaison du tapis de 8 %. Durant les cinq années, elle diminue de 31.0 ml/kg/min à 26.5 ml/kg/min avec une décroissance de 0.9 ml/kg/min par an.


Conclusion

Vous voyez que ceci pose donc de sérieux problèmes aux physiologistes pour calculer, chez l'enfant, l'énergie nette dépensée au cours d'une activité physique donnée. Ou alors ce sera au prix de multiples approximations pouvant entraîner des sources d'erreur très importantes dans le résultat final.

Donc, bien malin celui qui affirmerait pouvoir calculer cette fameuse dépense énergétique. Désolé pour ceux qui pensent que la physiologiste a réponse à tout! Mais, on peut toujours espérer que l'amélioration des techniques de mesure nous permettront de donner une réponse à cette question dans quelques années... Restons malgré tout optimistes!

Notes:

(*) Rappel pour certains et nouveauté pour les autres... Le métabolisme de base et le métabolisme de repos étant très proches, les physiologistes ont décidé de les regrouper sous le même terme de "métabolisme de base". Ce dernier est l'énergie minimale nécessaire à tout organisme pour entretenir ses fonctions vitales en état d'éveil. La production de chaleur que peut produire ce métabolisme est généralement estimée grâce à la mesure de la consommation d'oxygène réalisée dans des conditions rigoureuses de température, humidité et pression. Les valeurs moyennes obtenues tournent autour de 160 à 290 ml/min (soit 0.8 à 1.46 kcal/min) car plusieurs facteurs peuvent influencer la dépense énergétique d'un individu. Il est proportionnel à la surface corporelle et suit une loi connue sous le nom de "loi de surface" connue depuis le XIXe siècle.

Il varie aussi en fonction du sexe et de l'âge (Altman 1969). La quantité de chaleur produite est donnée en kilojoules par mètre carré et par heure (kJ/m^2/h). Le métabolisme des femmes est inférieur de 5 à 10% à celui des hommes. Cette différence vient du fait que l'homme a une composition corporelle différente de celle de la femme d'un point de vue % de masse musculaire et % de masse graisseuse (cf. texte sur les plis cutanés); la graisse est métaboliquement moins active que le tissu musculaire. C'est donc aussi pour cette raison de variation de la composition corporelle que la valeur du métabolisme de repos diminue de 2% tous les 10 ans à partir de 20 ans. Entre 20 et 40 ans, le métabolisme de base est d'environ 159 et 147 kJ/m^2/h respectivement chez les hommes et les femmes.

(**) Dans le système des mesures internationales, l'énergie est exprimée en joule alors que pour le commun des mortels c'est la kilocalorie. Pour passer de l'un à l'autre il faut savoir que 1 kcal = 4,186 kJ.

(***) Le nomogramme est une construction graphique composée d'au moins trois lignes verticales aux échelles différentes (selon le paramètre qu'elles sont censées représenter) qui, en reliant deux points sur deux de ces segments de droite, donnent un point d'intersection avec le troisième segment de droite correspondant à la valeur recherchée.

Références

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Pascal Prévost
Paris, France




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