TERMOREGULIACIJA: FIZIOLOGIJA, MECHANIZMAI, TIPAI IR POKYČIAI - BIOLOGIJA - 2025

Temperatūros reguliavimas yra procesas, kuris leidžia organizmai reguliuoti savo kūno temperatūrą, tolygiam šilumos nuostolius ir pelną. Gyvūnų karalystėje yra skirtingi temperatūros reguliavimo mechanizmai, tiek fiziologiniai, tiek etologiniai.

Kūno temperatūros reguliavimas yra pagrindinė bet kurios gyvos būtybės veikla, nes šis parametras yra labai svarbus kūno homeostazei ir daro įtaką fermentų bei kitų baltymų funkcionalumui, membranos sklandumui, jonų srautui. .

Žinduoliai yra homeoterminiai ir endoterminiai. Šaltinis: Alanas Wilsonas

Paprasčiausia forma, termoreguliacijos tinklai aktyvuojami grandine, kuri integruoja termoreceptorių, esančių odoje, vidaus organuose, smegenyse, įvadus.

Pagrindiniai šių karštų ar šaltų dirgiklių mechanizmai yra odos kraujagyslių susiaurėjimas, kraujagyslių išsiplėtimas, šilumos gamyba (termogenezė) ir prakaitavimas. Kiti mechanizmai apima elgesį, skatinantį arba mažinantį šilumos nuostolius.

Pagrindai: šiluma ir temperatūra

Norint pakalbėti apie termoreguliaciją gyvūnuose, reikia žinoti tikslų terminų, kurie dažnai supainioja studentus, apibrėžimą.

Norint suprasti gyvūnų šiluminį reguliavimą, būtina suprasti skirtumą tarp šilumos ir temperatūros. Mes naudosime negyvus kūnus skirtumui iliustruoti: pagalvokime apie du metalo kubus, vienas yra 10 kartų didesnis už kitą.

Kiekvienas iš šių kubelių yra kambaryje, kurio temperatūra yra 25 ° C. Jei išmatuosime kiekvieno bloko temperatūrą, abu bus 25 ° C, nors vienas yra didelis, o kitas mažas.

Jei išmatuosime šilumos kiekį kiekviename bloke, rezultatas tarp dviejų bus skirtingas. Norėdami atlikti šią užduotį, turime perkelti blokus į kambarį, kuriame absoliučios nulio temperatūra, ir kiekybiškai įvertinti jų atiduodamą šilumos kiekį. Tokiu atveju šilumos kiekis didžiausiame metaliniame kube bus 10 kartų didesnis.

Temperatūra

Ankstesnio pavyzdžio dėka galime daryti išvadą, kad temperatūra abiem yra vienoda ir nepriklauso nuo medžiagos kiekio kiekviename bloke. Temperatūra matuojama kaip molekulių judėjimo greitis arba intensyvumas.

Biologinėje literatūroje, kai autoriai mini „kūno temperatūrą“, jie nurodo kūno centrinių ir periferinių sričių temperatūrą. Pagrindinių regionų temperatūra atspindi „giliųjų“ kūno audinių - smegenų, širdies ir kepenų - temperatūrą.

Savo ruožtu periferinių regionų temperatūrą įtakoja kraujo tekėjimas į odą ir ji matuojama rankų ir kojų odoje.

Karšta

Ir, grįžtant prie blokų pavyzdžio, šiluma skiriasi tiek inertiniuose kūnuose, tiek tiesiogiai proporcinga medžiagos kiekiui. Tai yra energijos rūšis ir priklauso nuo nagrinėjamos medžiagos atomų ir molekulių skaičiaus.

Tipai: šiluminiai ryšiai tarp gyvūnų

Gyvūnų fiziologijoje yra keletas terminų ir kategorijų, naudojamų apibūdinti organizmų šiluminius ryšius. Kiekviena iš šių gyvūnų grupių turi specialias adaptacijas - fiziologines, anatomines ar anatomines -, padedančias jiems palaikyti tinkamą kūno temperatūrą.

Kasdieniniame gyvenime endoterminius ir homeoterminius gyvūnus mes vadiname „šiltakraujais“, o poikiloterminius ir ektoterminius gyvūnus - „šaltakraujais“.

Endoterma ir ektoterma

Pirmasis terminas yra endotermija, naudojama, kai gyvūnui pavyksta sušilti tarpininkaujant metabolinei šilumos gamybai. Priešinga sąvoka yra ektotermija, kai gyvūno temperatūrą diktuoja supanti aplinka.

Kai kurie gyvūnai nesugeba būti endoterminiai, nes, nors ir skleidžia šilumą, jie to nepadarė pakankamai greitai.

Poikiloterminė ir homeoterminė

Kitas būdas juos klasifikuoti yra pagal gyvūno termoreguliaciją. Poikilotermos terminas vartojamas gyvūnams, kurių kūno temperatūra skiriasi. Tokiais atvejais karštoje aplinkoje kūno temperatūra yra aukšta, o šaltoje aplinkoje - žema.

Poikiloterminis gyvūnas savo elgesiu gali pats reguliuoti savo temperatūrą. T. y., Esant didesnei saulės spinduliuotės vietai, kad padidėtų temperatūra, arba paslėpti nuo minėtos radiacijos, kad ji sumažėtų.

Sąvokos „poikiloterma“ ir „ektoterma“ reiškia iš esmės tą patį reiškinį. Tačiau poikilotermas pabrėžia kūno temperatūros kintamumą, o ektoterma nurodo aplinkos temperatūros svarbą nustatant kūno temperatūrą.

Priešingas poikilotermos terminas yra homeoterminis: termoreguliacija fiziologinėmis priemonėmis ir ne tik dėl elgesio. Dauguma endoterminių gyvūnų sugeba reguliuoti savo temperatūrą.

Pavyzdžiai

Žuvys

Žuvys yra puikus ektoterminių ir poikiloterminių gyvūnų pavyzdys. Šių plaukiančių stuburinių gyvūnų atveju jų audiniai negamina šilumos per medžiagų apykaitos kelius, be to, žuvų temperatūra nustatoma pagal vandens telkinio, kuriame jie plaukia, temperatūrą.

Ropliai

Roplių elgesys labai ryškus, o tai leidžia jiems (etologiškai) reguliuoti savo temperatūrą. Šie gyvūnai siekia šiltų regionų, pavyzdžiui, peri ant karšto akmens, kad padidintų temperatūrą. Priešingu atveju, kur jie norės sumažinti, jie stengsis pasislėpti nuo radiacijos.

Paukščiai ir žinduoliai

Žinduoliai ir paukščiai yra endoterminių ir homeoterminių gyvūnų pavyzdžiai. Jie metabolizuoja jūsų kūno temperatūrą ir reguliuoja ją fiziologiškai. Kai kurie vabzdžiai taip pat demonstruoja šį fiziologinį modelį.

Galimybė reguliuoti jų temperatūrą suteikė šiems dviem gyvūnams pranašumą prieš jų poikiloterminius kolegas, nes jie gali nustatyti šiluminę pusiausvyrą savo ląstelėse ir organuose. Dėl to mitybos, metabolizmo ir ekskrecijos procesai buvo tvirtesni ir efektyvesni.

Pavyzdžiui, žmonės palaiko 37 ° C temperatūrą gana siaurame intervale - nuo 33,2 iki 38,2 ° C. Šio parametro išlaikymas yra nepaprastai svarbus rūšies išlikimui ir tarpininkauja sergant fiziologiniais procesais kūne.

Erdvinė ir laikinė endotermijos ir ektotermijos kaita

Skirtumas tarp šių keturių kategorijų dažnai painiojamas, kai nagrinėjame atvejus, kai gyvūnai gali paeiliui tarp kategorijų - erdviniu ar laiko atžvilgiu.

Laikinuosius šiluminio reguliavimo pokyčius galima paaiškinti žinduoliais, kurie patiria žiemojimo periodą. Šie gyvūnai paprastai būna homeotermiški tais metų laikais, kai jie ne žiemoja, o žiemojimo metu nesugeba sureguliuoti savo kūno temperatūros.

Erdvės kitimas atsiranda, kai gyvūnas skirtingai reguliuoja temperatūrą kūno vietose. Kamanės ir kiti vabzdžiai gali reguliuoti savo krūtinės ląstos segmentų temperatūrą ir nesugeba sureguliuoti likusių regionų. Ši diferencialo reguliavimo sąlyga vadinama heterotermija.

Termoreguliacijos fiziologija

Kaip ir bet kurioje sistemoje, fiziologiniam kūno temperatūros reguliavimui reikalinga aferencinė sistema, valdymo centras ir eferentinė sistema.

Pirmoji sistema, aferentinė, yra atsakinga už informacijos fiksavimą per odos receptorius. Vėliau informacija per kraują per nervinį kelią perduodama į termoreguliacinį centrą.

Normaliomis sąlygomis kūno organai, kurie generuoja šilumą, yra širdis ir kepenys. Kai kūnas dirba fizinį darbą (mankštą), griaučių raumenys taip pat yra šilumą generuojanti struktūra.

Pagumburis yra termoreguliacinis centras, o užduotys yra padalintos į šilumos nuostolius ir šilumos padidėjimą. Funkcinė zona, palaikanti šilumos palaikymą, yra užpakalinėje pogumburio zonoje, o praradimas yra susijęs su priekine sritimi. Šis organas veikia kaip termostatas.

Sistemos valdymas vyksta dviem būdais: teigiamu ir neigiamu, tarpininkaujant smegenų žievei. Efektoriaus reakcijos yra elgesio tipo arba tarpininkaujamos autonominės nervų sistemos. Šie du mechanizmai bus ištirti vėliau.

Termoreguliaciniai mechanizmai

Fiziologiniai mechanizmai

Temperatūros reguliavimo mechanizmai skiriasi priklausomai nuo gaunamo stimulo tipo, tai yra, ar tai yra temperatūros padidėjimas, ar sumažėjimas. Taigi mes naudosime šį parametrą norėdami nustatyti mechanizmų klasifikaciją:

Aukštos temperatūros reguliavimas

Norėdami pasiekti kūno temperatūros reguliavimą, esant šilumos stimulams, kūnas turi skatinti jo praradimą. Yra keli mechanizmai:

Vazodilatacija

Žmonėms viena ryškiausių odos kraujotakos ypatybių yra platus kraujagyslių diapazonas, kurį ji turi. Kraujo apytaka per odą gali labai skirtis, atsižvelgiant į aplinkos sąlygas, ir pakisti nuo didelės iki žemos kraujo tėkmės.

Kraujagyslių išsiplėtimas turi lemiamą reikšmę asmenų termoreguliacijai. Padidėjusi kraujo tėkmė padidėjusios temperatūros laikotarpiais leidžia kūnui padidinti šilumos perdavimą iš kūno šerdies į odos paviršių, kad galutinai išsisklaidytų.

Padidėjus kraujo tėkmei, odos kraujo tūris savo ruožtu padidėja. Taigi didesnis kraujo kiekis pernešamas iš kūno šerdies į odos paviršių, kur vyksta šilumos perdavimas. Dabar šaltesnis kraujas perduodamas atgal į kūno šerdį ar centrą.

Prakaitas

Kartu su vazodilatacija, prakaito susidarymas yra labai svarbus termoreguliacijai, nes jis padeda išsklaidyti šilumos perteklių. Iš tikrųjų prakaito gamyba ir vėlesnis išgaravimas yra pagrindiniai organizmo šilumos praradimo mechanizmai. Jie taip pat dirba fizinio aktyvumo metu.

Prakaitas yra prakaito liaukų gaminamas skystis, vadinamas ekrinu, pasiskirstantis visame kūne esant dideliam tankiui. Išgarinant prakaitą, šiluma iš organizmo į aplinką patenka kaip vandens garai.

Reglamentas žemai temperatūrai

Priešingai nei ankstesniame skyriuje paminėti mechanizmai, esant temperatūros kritimui, kūnas turi skatinti šilumos kaupimąsi ir gamybą tokiu būdu:

Vazokonstrikcija

Ši sistema vadovaujasi priešinga logika, aprašyta kraujagyslių išsiplėtime, todėl mes nelabai detalizuosime paaiškinimo. Šaltis skatina odos indų susitraukimą, taip išvengiant šilumos išsisklaidymo.

Piloerection

Ar kada susimąstėte, kodėl „žąsų iškilimai“ atsiranda, kai esame prieš žemą temperatūrą? Tai šilumos nuostolių prevencijos mechanizmas, vadinamas piloerection. Tačiau kadangi žmonės ant mūsų kūno turi palyginti nedaug plaukų, ji laikoma neveiksminga ir užuomazgų turinčia sistema.

Kai padidėja kiekvienas plaukas, padidėja oro, liečiančio odą, sluoksnis, kuris sumažina oro konvekciją. Tai sumažina šilumos nuostolius.

Šilumos gamyba

Intuityviausias būdas kovoti su žema temperatūra yra šiluma. Tai gali įvykti dviem būdais: drebulėdama ir nesiskutanti termogenezė.

Pirmuoju atveju kūnas sukelia greitus ir nevalingus raumenų susitraukimus (štai kodėl tu drebi, kai tau šalta), dėl kurių išsiskiria šiluma. Gamyba drebuliu yra brangi - energetiškai kalbant - taigi, jei minėtos sistemos sugenda, kūnas ant jos atsiliks.

Antrąjį mechanizmą veda audinys, vadinamas rudaisiais riebalais (arba rudasis riebalinis audinys. Anglų literatūroje jis paprastai apibendrinamas rudojo riebalinio audinio GPGB akronimu.

Ši sistema yra atsakinga už energijos gamybos atsiejimą metabolizme: užuot suformavęs ATP, jis lemia šilumos gamybą. Tai ypač svarbus mechanizmas vaikams ir mažiems žinduoliams, nors naujesni įrodymai rodo, kad jis tinka ir suaugusiesiems.

Etologiniai mechanizmai

Etologinius mechanizmus sudaro visas elgesys, kurį gyvūnai demonstruoja norėdami reguliuoti savo temperatūrą. Kaip minėjome roplių pavyzdyje, organizmai gali būti dedami į tinkamą aplinką, kad skatintų arba užkirstų kelią šilumos nuostoliams.

Šios reakcijos apdorojime dalyvauja skirtingos smegenų dalys. Žmonėms toks elgesys yra veiksmingas, nors jis nėra tiksliai sureguliuotas, kaip ir fiziologinis.

Termoreguliacijos sutrikimai

Organizmas visą dieną patiria nedidelius ir subtilius temperatūros pokyčius, priklausomai nuo kai kurių kintamųjų, tokių kaip cirkadinis ritmas, hormoninis ciklas, be kitų fiziologinių aspektų.

Kaip jau minėjome, kūno temperatūra suorganizuoja daugybę fiziologinių procesų, o praradęs jo reguliavimą, paveiktas organizmas gali sukelti pražūtingas sąlygas.

Abu šiluminiai kraštutinumai - tiek aukšti, tiek žemi - neigiamai veikia organizmus. Labai aukšta temperatūra, viršijanti 42 ° C žmonėms, daro labai ryškų poveikį baltymams, skatinant jų denatūraciją. Taip pat turi įtakos DNR sintezė. Taip pat pažeisti organai ir neuronai.

Panašiai ir žemesnė nei 27 ° C temperatūra sukelia stiprią hipotermiją. Neuromuskulinės, širdies ir kraujagyslių sistemos bei kvėpavimo sistemos pokyčiai turi mirtinų pasekmių.

Kai termoreguliacija veikia netinkamai, pažeidžiami keli organai. Tai apima širdį, smegenis, virškinimo traktą, plaučius, inkstus ir kepenis.

Nuorodos

1. „Arellano“, JLP ir „Del Pozo“, SDC (2013). Bendrosios patologijos vadovas. Elsevier.
2. Argyropoulos, G., & Harper, ME (2002). Pakviesta peržiūra: baltymų atjungimas ir termoreguliacija. Journal of Applied Physiology, 92 (5), 2187-2198.
3. Charkoudian N. (2010). Žmonių reflekso sukeltų odos kraujagyslių išsiplėtimo ir kraujagyslių susiaurėjimo mechanizmai ir modifikatoriai. Taikomosios fiziologijos žurnalas (Bethesda, Md .: 1985), 109 (4), 1221–8.
4. Hill, RW (1979). Lyginamoji gyvūnų fiziologija: požiūris į aplinką. Aš atbuline eiga.
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., and Anderson, M. (2004). Gyvūnų fiziologija. „Sinauer Associates“.
6. „Liedtke WB“ (2017). Žinduolių termoreguliacijos dekonstravimas. Jungtinių Amerikos Valstijų nacionalinės mokslų akademijos leidiniai, 114 (8), 1765–1767.
7. „Morrison SF“ (2016 m.). Centrinė kūno temperatūros kontrolė. „F1000Research“, 5, F1000 fakultetas, red. - 880.