TERMOREGULACJA: FIZJOLOGIA, MECHANIZMY, RODZAJE I ZMIANY - BIOLOGIA - 2025

Termoregulacji jest proces, który pozwala na organizmy regulowania temperatury ciała, modulacji straty ciepła i wzmocnienia. W królestwie zwierząt istnieją różne mechanizmy regulacji temperatury, zarówno fizjologiczne, jak i etologiczne.

Regulacja temperatury ciała jest podstawowym działaniem każdej żywej istoty, ponieważ parametr ten ma kluczowe znaczenie dla homeostazy organizmu i wpływa m.in. na funkcjonalność enzymów i innych białek, płynność błony, przepływ jonów. .

Ssaki są homeotermiczne i endotermiczne. Źródło: Alan Wilson

W najprostszej postaci sieci termoregulacyjne są aktywowane za pomocą obwodu integrującego wejścia termoreceptorów zlokalizowanych m.in.w skórze, trzewiach, mózgu.

Główne mechanizmy tych gorących lub zimnych bodźców obejmują skurcz naczyń krwionośnych skóry, rozszerzenie naczyń, wytwarzanie ciepła (termogeneza) i pocenie się. Inne mechanizmy obejmują zachowania promujące lub zmniejszające utratę ciepła.

Podstawy: ciepło i temperatura

Aby mówić o termoregulacji u zwierząt, konieczne jest poznanie dokładnej definicji terminów, które często są mylące wśród uczniów.

Zrozumienie różnicy między ciepłem a temperaturą jest niezbędne do zrozumienia termoregulacji zwierząt. Aby zilustrować różnicę, użyjemy ciał nieożywionych: pomyślmy o dwóch kostkach metalu, 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 miały 25 ° C, chociaż jeden jest duży, a drugi mały.

Teraz, jeśli zmierzymy ilość ciepła w każdym bloku, wynik między nimi będzie inny. Aby wykonać to zadanie, musimy przenieść bloki do pomieszczenia o temperaturze zera absolutnego i określić ilościowo ilość wydzielanego przez nie ciepła. W tym przypadku zawartość ciepła będzie 10 razy większa w największej metalowej kostce.

Temperatura

Na podstawie poprzedniego przykładu możemy stwierdzić, że temperatura jest taka sama dla obu i niezależna od ilości materii w każdym bloku. Temperatura jest mierzona jako prędkość lub intensywność ruchu cząsteczek.

W literaturze biologicznej, gdy autorzy wspominają o „temperaturze ciała”, odnoszą się do temperatury centralnych i obwodowych obszarów ciała. Temperatura regionów rdzeniowych odzwierciedla temperaturę „głębokich” tkanek organizmu - mózgu, serca i wątroby.

Z kolei temperatura okolic peryferyjnych zależy od przepływu krwi do skóry i jest mierzona na skórze dłoni i stóp.

Gorąco

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

Rodzaje: relacje termiczne między zwierzętami

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

W życiu codziennym zwierzęta endotermiczne i homeotermiczne nazywamy „stałocieplnymi”, a poikilotermicznymi i ektotermicznymi - „zimnokrwistymi”.

Endoterma i ektoterma

Pierwszy termin to endotermia, używany, gdy zwierzę udaje się ogrzać, pośrednicząc w metabolicznej produkcji ciepła. Odwrotną koncepcją jest ektotermia, w której temperatura zwierzęcia jest dyktowana przez otaczające środowisko.

Niektóre zwierzęta nie są zdolne do endotermii, ponieważ chociaż wytwarzają ciepło, nie robią tego wystarczająco szybko, aby je zatrzymać.

Poikilotermiczna i homeotermiczna

Innym sposobem ich klasyfikacji jest termoregulacja zwierzęcia. Termin poikilotherm jest używany w odniesieniu do zwierząt o różnej temperaturze ciała. W takich przypadkach temperatura ciała jest wysoka w środowiskach gorących i niska w środowiskach zimnych.

Zwierzę poikilotermiczne może samoregulować swoją temperaturę poprzez zachowania. To znaczy, umieszczając na obszarach o wysokim nasłonecznieniu w celu podwyższenia temperatury lub ukrycia się przed tym promieniowaniem w celu jego obniżenia.

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

Odwrotnym określeniem dla poikilotermy jest homeotermia: termoregulacja za pomocą środków fizjologicznych - i to nie tylko poprzez przejawianie zachowań. Większość zwierząt endotermicznych jest w stanie regulować swoją temperaturę.

Przykłady

Ryby

Ryby są doskonałym przykładem zwierząt ektotermicznych i poikilotermicznych. W przypadku tych pływających kręgowców ich tkanki nie wytwarzają ciepła drogami metabolicznymi, a ponadto o temperaturze ryb decyduje temperatura wody, w której pływają.

Gady

Gady wykazują bardzo wyraźne zachowania, które pozwalają im regulować (etologicznie) swoją temperaturę. Zwierzęta te szukają ciepłych rejonów - takich jak przysiad na gorącym kamieniu - w celu podwyższenia temperatury. W przeciwnym razie, jeśli chcą go zmniejszyć, będą starać się ukryć przed promieniowaniem.

Ptaki i ssaki

Ssaki i ptaki to przykłady zwierząt endotermicznych i homeotermicznych. Metabolicznie wytwarzają temperaturę ciała i regulują ją fizjologicznie. Niektóre owady również wykazują ten fizjologiczny wzorzec.

Zdolność do regulowania temperatury dała tym dwóm liniom zwierzęcym przewagę nad ich poikilotermicznymi odpowiednikami, ponieważ potrafią ustanowić równowagę termiczną w swoich komórkach i narządach. Doprowadziło to do bardziej solidnych i wydajnych procesów odżywiania, metabolizmu i wydalania.

Na przykład ludzie utrzymują temperaturę 37 ° C, w dość wąskim zakresie - między 33,2 a 38,2 ° C. Utrzymanie tego parametru jest całkowicie krytyczne dla przetrwania gatunku i pośredniczy w szeregu procesów fizjologicznych w organizmie.

Przestrzenna i czasowa przemiana endotermii i ektotermii

Rozróżnienie między tymi czterema kategoriami jest często mylone, gdy badamy przypadki zwierząt, które są w stanie zmieniać kategorie na przemian, zarówno w przestrzeni, jak iw czasie.

Przykładem czasowej zmienności termoregulacji mogą być ssaki doświadczające okresów hibernacji. Zwierzęta te są na ogół homeotermiczne w okresach, w których nie są w stanie hibernacji, 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 potrafią regulować temperaturę swoich odcinków klatki piersiowej i nie są w stanie regulować pozostałych obszarów. Ten warunek regulacji różnicowej nazywany jest heterotermią.

Fizjologia termoregulacji

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

Pierwszy system, aferentny, jest odpowiedzialny za przechwytywanie informacji przez receptory skóry. Następnie informacja jest przekazywana do ośrodka termoregulacji drogą nerwową przez krew.

W normalnych warunkach narządami organizmu wytwarzającymi ciepło są serce i wątroba. Kiedy ciało wykonuje pracę fizyczną (ćwiczenia), mięśnie szkieletowe są również strukturą wytwarzającą ciepło.

Podwzgórze jest ośrodkiem termoregulacji, a zadania są podzielone na utratę ciepła i jego przyrost. Strefa funkcjonalna, która pośredniczy w utrzymaniu ciepła, znajduje się w tylnej części podwzgórza, podczas gdy utrata jest mediowana przez odcinek przedni. Ten organ działa jak termostat.

Kontrola systemu przebiega na dwa sposoby: pozytywna i negatywna, za pośrednictwem kory mózgowej. Odpowiedzi efektorowe mają charakter behawioralny lub są mediowane przez autonomiczny układ nerwowy. Te dwa mechanizmy zostaną zbadane później.

Mechanizmy termoregulacyjne

Mechanizmy fizjologiczne

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

Regulacja dla wysokich temperatur

Aby osiągnąć regulację temperatury ciała w obliczu bodźców cieplnych, organizm musi sprzyjać jej utracie. Istnieje kilka mechanizmów:

Rozszerzenie naczyń

U ludzi jedną z najbardziej uderzających cech krążenia w skórze jest szeroka gama naczyń krwionośnych. Przepływ krwi przez skórę zmienia się ogromnie w zależności od warunków środowiskowych i zmienia się od wysokiego do niskiego przepływu krwi.

Zdolność rozszerzenia naczyń krwionośnych jest kluczowa w termoregulacji osobników. Podwyższony przepływ krwi w okresach podwyższonej temperatury pozwala organizmowi zwiększyć przenoszenie ciepła z wnętrza ciała na powierzchnię skóry, aby ostatecznie się rozproszyć.

Wraz ze wzrostem przepływu krwi zwiększa się z kolei objętość krwi w skórze. W ten sposób większa ilość krwi jest przenoszona z rdzenia ciała na powierzchnię skóry, gdzie następuje wymiana ciepła. Teraz chłodniejsza krew jest przenoszona z powrotem do rdzenia lub środka ciała.

Pocić się

Wraz z rozszerzaniem naczyń krwionośnych, produkcja potu ma kluczowe znaczenie dla termoregulacji, ponieważ pomaga rozproszyć nadmiar ciepła. W rzeczywistości wytwarzanie i późniejsze odparowywanie potu są głównymi mechanizmami utraty ciepła przez organizm. Sprawdzają się również podczas aktywności fizycznej.

Pot jest płynem wytwarzanym przez gruczoły potowe zwanym ekryną, rozprowadzanym po całym organizmie w znacznej gęstości. Parowanie potu jest w stanie przenosić ciepło z organizmu do otoczenia w postaci pary wodnej.

Regulacja dla niskich temperatur

W przeciwieństwie do mechanizmów wspomnianych w poprzednim rozdziale, w sytuacjach spadku temperatury organizm musi promować zachowanie i produkcję ciepła w następujący sposób:

Zwężenie naczyń

Ten system jest zgodny z odwrotną logiką opisaną w rozszerzaniu naczyń, więc nie będziemy się zbytnio rozwodzić nad wyjaśnieniem. Zimno stymuluje skurcze naczynek skórnych, zapobiegając w ten sposób rozpraszaniu ciepła.

Piloerekcja

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego „gęsia skórka” pojawia się, gdy mamy do czynienia z niską temperaturą? Jest to mechanizm zapobiegający utracie ciepła zwany piloerekcją. Jednak ponieważ ludzie mają stosunkowo mało włosów na naszych ciałach, jest to uważane za nieskuteczny i prymitywny system.

Kiedy następuje uniesienie każdego włosa, zwiększa się warstwa powietrza, która styka się ze skórą, co zmniejsza konwekcję powietrza. Zmniejsza to straty ciepła.

Produkcja ciepła

Najbardziej intuicyjnym sposobem przeciwdziałania niskim temperaturom jest wytwarzanie ciepła. Może to nastąpić na dwa sposoby: przez drżącą i bez drżącą termogenezę.

W pierwszym przypadku organizm wytwarza szybkie i mimowolne skurcze mięśni (dlatego drżysz, gdy jest ci zimno), które prowadzą do produkcji ciepła. Drżąca produkcja jest kosztowna - mówiąc energetycznie - więc organizm cofnie się na nią, jeśli wyżej wymienione systemy zawiodą.

Drugi mechanizm jest prowadzony przez tkankę zwaną brązową tkanką tłuszczową (lub brązową tkanką tłuszczową, w literaturze angielskiej jest to zwykle podsumowywane pod akronimem BAT dla brązowej tkanki tłuszczowej).

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

Mechanizmy etologiczne

Na mechanizmy etologiczne składają się wszystkie zachowania zwierząt, które regulują ich temperaturę. Jak wspomnieliśmy na przykładzie gadów, organizmy można umieścić w odpowiednim środowisku, aby promować lub zapobiegać utracie ciepła.

W przetwarzaniu tej odpowiedzi uczestniczą różne części mózgu. U ludzi te zachowania są skuteczne, chociaż nie są tak precyzyjnie regulowane jak fizjologiczne.

Zaburzenia termoregulacji

Ciało doświadcza niewielkich i delikatnych zmian temperatury w ciągu dnia, w zależności od pewnych zmiennych, takich jak rytm okołodobowy, cykl hormonalny i inne aspekty fizjologiczne.

Jak już wspomnieliśmy, temperatura ciała koordynuje szeroki zakres procesów fizjologicznych, a utrata ich regulacji może prowadzić do wyniszczających warunków w dotkniętym chorobą organizmie.

Obie skrajności termiczne - zarówno wysokie, jak i niskie - mają negatywny wpływ na organizmy. Bardzo wysokie temperatury, powyżej 42 ° C u ludzi, mają bardzo wyraźny wpływ na białka, sprzyjając ich denaturacji. Ma to również wpływ na syntezę DNA. Uszkodzone są również narządy i neurony.

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

Nieprawidłowe działanie termoregulacji wpływa na wiele narządów. Należą do nich serce, mózg, przewód pokarmowy, płuca, nerki i wątroba.

Bibliografia

1. Arellano, JLP i del Pozo, SDC (2013). Podręcznik patologii ogólnej. Elsevier.
2. Argyropoulos, G. i Harper, ME (2002). Zaproszony przegląd: rozprzęganie białek i termoregulacja. Journal of Applied Physiology, 92 (5), 2187-2198.
3. Charkoudian N. (2010). Mechanizmy i modyfikatory rozszerzania i zwężania naczyń krwionośnych skóry u ludzi wywołanych odruchami. Journal of Applied physiology (Bethesda, Md .: 1985), 109 (4), 1221-8.
4. Hill, RW (1979). Fizjologia porównawcza zwierząt: podejście środowiskowe. Odwróciłem się.
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. i Anderson, M. (2004). Fizjologia zwierząt. Sinauer Associates.
6. Liedtke WB (2017). Dekonstruowanie termoregulacji ssaków. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114 (8), 1765-1767.
7. Morrison SF (2016). Centralna kontrola temperatury ciała. F1000Research, 5, F1000 Wydział Rev-880.