Fizjologia termoregulacji, mechanizmy, typy i zmiany



The termoregulacja Jest to proces, który pozwala organizmom regulować temperaturę ich ciała, modulując utratę i przyrost ciepła. W królestwie zwierząt istnieją różne mechanizmy regulacji temperatury, zarówno fizjologiczne, jak i etologiczne.

Regulowanie temperatury ciała jest podstawową czynnością dla każdej żywej istoty, ponieważ parametr ten ma kluczowe znaczenie dla homeostazy ciała i wpływa na funkcjonalność enzymów i innych białek, płynność błony, między innymi przepływ jonów..

W najprostszej postaci sieci termoregulacji są aktywowane za pomocą obwodu, który integruje wejścia między termoreceptorami znajdującymi się w skórze, w wnętrznościach, w mózgu, między innymi.

Główne mechanizmy w obliczu tych bodźców chłodu lub ciepła obejmują skurcz naczyń krwionośnych skóry, rozszerzenie naczyń, wytwarzanie ciepła (termogeneza) i pocenie się. Inne mechanizmy obejmują zachowania promujące lub ograniczające utratę ciepła.

Indeks

  • 1 Podstawowe pojęcia: ciepło i temperatura
    • 1.1 Temperatura
    • 1.2 Ciepło
  • 2 Rodzaje: relacje termiczne między zwierzętami
    • 2.1 Endoterma i ektoterma
    • 2.2 Poikilotherm i homeotherm
    • 2.3 Przykłady
    • 2.4 Zmiana przestrzennej i czasowej endotermii i ektoterapii
  • 3 Fizjologia termoregulacji
  • 4 Mechanizmy termoregulacji
    • 4.1 Mechanizmy fizjologiczne
    • 4.2 Mechanizmy etologiczne
  • 5 Zmiany termoregulacji
  • 6 referencji

Podstawowe pojęcia: ciepło i temperatura

Aby mówić o termoregulacji u zwierząt, należy znać dokładną definicję terminów, które często są mylące wśród uczniów.

Zrozumienie różnicy między ciepłem a temperaturą jest niezbędne do zrozumienia regulacji termicznej zwierząt. Wykorzystamy ciała nieożywione, aby zilustrować różnicę: pomyśl o dwóch metalowych kostkach, jeden jest 10 razy większy od drugiego.

Każda z tych kostek znajduje się w pomieszczeniu o temperaturze 25 ° C Jeśli zmierzymy temperaturę każdego bloku, oba będą w temperaturze 25 ° C, chociaż jedna będzie duża, a druga mała.

Teraz, jeśli zmierzymy ilość ciepła w każdym bloku, wynik między nimi będzie inny. Aby wykonać to zadanie, musimy przesunąć bloki do pomieszczenia o temperaturze absolutnego zera i określić ilości ciepła, które wydzielają. W tym przypadku zawartość ciepła będzie większa 10 razy w większej metalowej kostce.

Temperatura

Dzięki wcześniejszemu przykładowi możemy stwierdzić, że temperatura jest taka sama dla obu i niezależnie od ilości materii każdego bloku. Temperatura jest mierzona jako prędkość lub intensywność ruchu cząsteczek.

W literaturze biologicznej, gdy autorzy wymieniają „temperaturę ciała”, odnoszą się do temperatury centralnych obszarów ciała i regionów peryferyjnych. Temperatura regionów centralnych odzwierciedla temperaturę „głębokich” tkanek ciała - mózgu, serca i wątroby.

Z drugiej strony na temperaturę obszarów peryferyjnych wpływa przepływ krwi do skóry i jest mierzony w skórze dłoni i stóp.

Ciepło

Dla kontrastu - i wracając do przykładu bloków - ciepło jest różne w obu ciałach obojętnych i wprost proporcjonalne do ilości materii. Jest to forma energii i zależy od liczby atomów i cząsteczek danej substancji.

Typy: relacje termiczne między zwierzętami

W fizjologii zwierząt istnieje szereg terminów i kategorii używanych do opisania związków termicznych między organizmami. Każda z tych grup zwierząt ma specjalne adaptacje - fizjologiczne, anatomiczne lub anatomiczne - które pomagają im utrzymać temperaturę ciała w odpowiednim zakresie.

W życiu codziennym nazywamy zwierzęta endotermiczne i homeotermiczne „ciepłokrwistymi”, a zwierzęta poikilotermiczne i ektotermiczne jako „zimnokrwiste”..

Endoterma i ektoterma

Pierwszy termin to endoterma, używane, gdy zwierzęowi udaje się rozgrzać przy metabolicznym wytwarzaniu ciepła. Przeciwna koncepcja to ektoterapia, gdzie temperatura zwierzęcia jest narzucana przez otaczające środowisko.

Niektóre zwierzęta nie mogą być endotermiczne, ponieważ chociaż wytwarzają ciepło, nie robią tego wystarczająco szybko, aby je utrzymać.

Poikilotherm i homeotherm

Innym sposobem ich klasyfikacji jest zależność od termoregulacji zwierzęcia. Termin poikilotherm odnosi się do zwierząt o zmiennej temperaturze ciała. W takich przypadkach temperatura ciała jest wysoka w gorących środowiskach i jest niska w niskich temperaturach.

Zwierzę poikilotherm może samoregulować swoją temperaturę za pomocą zachowania. To znaczy, lokalizując w obszarach o wysokim promieniowaniu słonecznym, aby zwiększyć temperaturę lub ukryć się przed wspomnianym promieniowaniem, aby je zmniejszyć.

Terminy poikilotherm i ectotherm odnoszą się zasadniczo do tego samego zjawiska. Jednak poikilotherm podkreśla zmienność temperatury ciała, podczas gdy w ektotermii odnosi się do znaczenia temperatury otoczenia do określania temperatury ciała.

Przeciwny termin poikilotherm to homeotherm: termoregulacja środkami fizjologicznymi - i to nie tylko dzięki rozmieszczeniu zachowań. Większość zwierząt endotermicznych jest w stanie regulować swoją temperaturę.

Przykłady

Ryby

Ryby są doskonałym przykładem zwierząt ektotermicznych i poikilotermicznych. W przypadku tych pływaków kręgowców ich tkanki nie wytwarzają ciepła poprzez szlaki metaboliczne, a ponadto temperatura ryb jest określana przez temperaturę części wód, w której pływają.

Gady

Gady wykazują bardzo wyraźne zachowania, które pozwalają im regulować (etologicznie) temperaturę. Te zwierzęta szukają ciepłych regionów - takich jak przysiad na gorącym kamieniu - aby zwiększyć temperaturę. W przeciwnym razie, jeśli chcą go zmniejszyć, będą starali się ukryć przed promieniowaniem.

Ptaki i ssaki

Ssaki i ptaki są przykładami zwierząt endotermicznych i domowych. Te metabolicznie wytwarzają temperaturę ciała i regulują ją fizjologicznie. Niektóre owady wykazują również ten wzór fizjologiczny.

Zdolność do regulacji jego temperatury dała tym dwóm liniom zwierząt przewagę nad ich poikilotermicznymi odpowiednikami, ponieważ mogą one ustalić równowagę termiczną w swoich komórkach i narządach. Doprowadziło to do tego, że procesy odżywiania, metabolizmu i wydalania stały się bardziej solidne i wydajne.

Na przykład człowiek utrzymuje temperaturę 37 ° C, w dość wąskim zakresie - od 33,2 do 38,2 ° C. Utrzymanie tego parametru jest całkowicie krytyczne dla przetrwania gatunku i pośredniczy w szeregu procesów fizjologicznych w organizmie.

Alternacja przestrzennej i czasowej endotermii i ektoterapii

Rozróżnienie między tymi czterema kategoriami często staje się mylące, gdy badamy przypadki zwierząt, które są w stanie zmieniać się między kategoriami, przestrzennie lub czasowo.

Czasowe zmiany regulacji termicznej mogą być zilustrowane przez ssaki, które doświadczają okresów hibernacji. Zwierzęta te są zwykle homeotermiczne w porach roku, kiedy nie są zimujące, a podczas snu zimowego nie są w stanie regulować temperatury ciała.

Zróżnicowanie przestrzenne występuje, gdy zwierzę w różny sposób reguluje temperaturę w obszarach ciała. Trzmiele i inne owady mogą regulować temperaturę swoich odcinków piersiowych i nie są w stanie regulować reszty regionów. Ten warunek regulacji różnicowej nazywany jest heterotermią.

Fizjologia termoregulacji

Jak każdy system, fizjologiczna regulacja temperatury ciała wymaga obecności układu doprowadzającego, centrum kontroli i układu odprowadzającego.

Pierwszy system, aferentny, odpowiada za przechwytywanie informacji za pomocą receptorów skórnych. Następnie informacja jest przesyłana do centrum termoregulacji przez krew za pośrednictwem układu nerwowego.

W normalnych warunkach narządy ciała generujące ciepło to serce i wątroba. Kiedy ciało wykonuje pracę fizyczną (ćwiczenia), mięśnie szkieletowe są również strukturą wytwarzającą ciepło.

Podwzgórze jest centrum termoregulacji, a zadania są podzielone na utratę ciepła i zysk. Strefa funkcjonalna do pośredniczenia w utrzymywaniu ciepła znajduje się w tylnej strefie podwzgórza, podczas gdy w utracie pośredniczy region przedni. Ten organ działa jak termostat.

Kontrola systemu zachodzi podwójnie: pozytywnie i negatywnie, za pośrednictwem kory mózgowej. Odpowiedzi efektorowe są typu behawioralnego lub pośredniczone przez autonomiczny układ nerwowy. Te dwa mechanizmy zostaną zbadane później.

Mechanizmy termoregulacji

Mechanizmy fizjologiczne

Mechanizmy regulacji temperatury różnią się w zależności od rodzaju otrzymywanego bodźca, czyli od tego, czy jest to wzrost czy spadek temperatury. Dlatego użyjemy tego parametru do ustalenia klasyfikacji mechanizmów:

Regulacja dla wysokich temperatur

Aby osiągnąć regulację temperatury ciała przed bodźcami cieplnymi, organizm musi promować jej utratę. Istnieje kilka mechanizmów:

Rozszerzenie naczyń krwionośnych

U ludzi jedną z najbardziej uderzających cech krążenia skóry jest szeroka gama naczyń krwionośnych. Krążenie krwi przez skórę ma ogromną właściwość w zależności od warunków środowiskowych i zmienia się z wysokich do niskich przepływów krwi.

Zdolność do rozszerzenia naczyń jest kluczowa w termoregulacji osób. Wysoki przepływ krwi w okresach podwyższonej temperatury pozwala ciału na zwiększenie transmisji ciepła z rdzenia ciała na powierzchnię skóry, aby w końcu zostać rozproszonym.

Gdy przepływ krwi wzrasta, zwiększa się objętość krwi. W ten sposób większa ilość krwi jest przenoszona z rdzenia ciała na powierzchnię skóry, gdzie następuje transfer ciepła. Krew, teraz chłodniejsza, jest przenoszona z powrotem do jądra lub środka ciała.

Pot

Wraz z rozszerzeniem naczyń, produkcja potu jest kluczowa dla termoregulacji, ponieważ pomaga rozpraszać nadmierne ciepło. W rzeczywistości produkcja i późniejsze odparowywanie potu są głównymi mechanizmami ciała, które tracą ciepło. Działają także podczas aktywności fizycznej.

Pot jest płynem wytwarzanym przez gruczoły potowe zwane ekryną, rozprowadzonym w całym ciele w znacznej gęstości.Odparowanie potu umożliwia przeniesienie ciepła ciała do środowiska jako pary wodnej.

Regulacja dla niskich temperatur

W przeciwieństwie do mechanizmów wspomnianych w poprzedniej sekcji, w sytuacjach spadku temperatury ciało musi promować konserwację i wytwarzanie ciepła w następujący sposób:

Zwężenie naczyń

System ten działa zgodnie z logiką przeciwną opisaną w rozszerzeniu naczyń, więc nie wyjaśnimy zbyt wiele. Zimno stymuluje skurcz naczyń skórnych, dzięki czemu unika się rozpraszania ciepła.  

Piloerekcja

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego „gęsia skórka” pojawia się, gdy mamy do czynienia z niskimi temperaturami? Jest to mechanizm pozwalający uniknąć strat ciepła nazywanych piloerekcją. Jednakże, ponieważ ludzie mają stosunkowo niewiele włosów w naszym ciele, jest to uważane za słabo prymitywny system.

Kiedy pojawia się uniesienie każdego włosa, zwiększa się warstwa powietrza, która wchodzi w kontakt ze skórą, co zmniejsza konwekcję powietrza. Zmniejsza to straty ciepła.

Produkcja ciepła

Najbardziej intuicyjnym sposobem przeciwdziałania niskiej temperaturze jest wytwarzanie ciepła. Może to nastąpić na dwa sposoby: przez drżenie i nie dreszczącą termogenezę.

W pierwszym przypadku ciało wytwarza szybkie i mimowolne skurcze mięśni (dlatego drżysz, gdy jesteś zimny), co prowadzi do wytwarzania ciepła. Drżąca produkcja jest kosztowna - mówiąc energetycznie - więc ciało ucieknie się do niej, jeśli wyżej wymienione systemy zawiodą..

Drugi mechanizm jest prowadzony przez tkankę zwaną brązowym tłuszczem (lub brązową tkanką tłuszczową, w literaturze angielskiej jest ona zwykle podsumowywana pod akronimem BAT przez brązowa tkanka tłuszczowa).

Ten system jest odpowiedzialny za oddzielenie produkcji energii w metabolizmie: zamiast tworzyć ATP, prowadzi do wytwarzania ciepła. Jest to szczególnie ważny mechanizm u dzieci i małych ssaków, chociaż najnowsze dowody wskazują, że dotyczy to również dorosłych.

Mechanizmy etologiczne

Mechanizmy etologiczne składają się ze wszystkich zachowań zwierząt, które regulują ich temperaturę. Jak wspomnieliśmy na przykładzie gadów, organizmy można umieścić w sprzyjającym środowisku, aby promować lub unikać strat ciepła.

Różne części mózgu biorą udział w przetwarzaniu tej odpowiedzi. U ludzi zachowania te są skuteczne, chociaż nie są precyzyjnie regulowane jako fizjologiczne.

Zmiany termoregulacji

Ciało doświadcza niewielkich i delikatnych zmian temperatury w ciągu dnia, w zależności od niektórych zmiennych, takich jak rytm okołodobowy, cykl hormonalny, wśród innych aspektów fizjologicznych.

Jak wspomniano, temperatura ciała organizuje olbrzymi zakres procesów fizjologicznych, a utrata regulacji może prowadzić do wyniszczających warunków w zaatakowanym organizmie.

Obie skrajności termiczne - zarówno wysokie, jak i niskie - wpływają negatywnie na organizmy. Bardzo wysokie temperatury, powyżej 42 ° C u ludzi, silnie wpływają na białka, promując ich denaturację. Ponadto wpływa na syntezę DNA. Uszkodzone są również organy i neurony.

Podobnie temperatury poniżej 27 ° C prowadzą do poważnej hipotermii. Zmiany w aktywności nerwowo-mięśniowej, sercowo-naczyniowej i oddechowej mają fatalne konsekwencje.

Wpływa na to wiele organów, gdy termoregulacja nie działa we właściwy sposób. Wśród nich serce, mózg, przewód pokarmowy, płuca, nerki i wątroba.

Referencje

  1. Arellano, J. L. P., i del Pozo, S. D. C. (2013). Podręcznik ogólnej patologii. Elsevier.
  2. Argyropoulos, G. i Harper, M. E. (2002). Zaproszona recenzja: rozprzęganie białek i termoregulacja. Journal of Applied Physiology, 92(5), 2187-2198.
  3. Charkoudian N. (2010). Mechanizmy i modyfikatory odruchowego rozszerzania naczyń krwionośnych skóry i zwężania naczyń u ludzi. Journal of Applied Physiology (Bethesda, Md .: 1985), 109(4), 1221-8.
  4. Hill, R. W. (1979). Porównanie fizjologii zwierząt: podejście środowiskowe. Odwróciłem się.
  5. Hill, R.W., Wyse, G.A., Anderson, M. i Anderson, M. (2004). Fizjologia zwierząt. Sinauer Associates.
  6. Liedtke W. B. (2017). Dekonstrukcja termoregulacji ssaków. Materiały z Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych Ameryki, 114(8), 1765-1767.
  7. Morrison S. F. (2016). Centralna kontrola temperatury ciała. F1000Research, 5, Wydział F1000 Rev-880.