Termoregulacijska fiziologija, mehanizmi, vrste in spremembe



The termoregulacija To je proces, ki omogoča organizmom, da uravnavajo temperaturo svojih teles, modulirajo izgubo in pridobivanje toplote. V živalskem kraljestvu obstajajo različni mehanizmi regulacije temperature, tako fiziološki kot etološki.

Regulacija temperature telesa je osnovna dejavnost za vsako živo bitje, saj je parameter kritičen za homeostazo telesa in vpliva na funkcionalnost encimov in drugih beljakovin, membransko fluidnost, pretok ionov, med drugim..

V svoji najpreprostejši obliki se termoregulacijska omrežja aktivirajo s pomočjo vezja, ki integrira vhode termoreceptorjev, ki se nahajajo v koži, v notranjih organih, v možganih, med drugim.

Glavni mehanizmi v luči teh hladnih ali toplotnih dražljajev so kožna vazokonstrikcija, vazodilatacija, proizvodnja toplote (termogeneza) in znojenje. Drugi mehanizmi vključujejo obnašanje za spodbujanje ali zmanjšanje toplotnih izgub.

Indeks

  • 1 Osnovni pojmi: toplota in temperatura
    • 1.1 Temperatura
    • 1.2 Toplota
  • 2 Vrste: toplotni odnosi med živalmi
    • 2.1 Endoterma in ektoterma
    • 2.2 Poikiloterm in homeoterm
    • 2.3 Primeri
    • 2.4 Sprememba prostorske in časovne endotermije in ektotermije
  • 3 Fiziologija termoregulacije
  • 4 Mehanizmi termoregulacije
    • 4.1 Fiziološki mehanizmi
    • 4.2 Etološki mehanizmi
  • 5 Spremembe termoregulacije
  • 6 Reference

Osnovni pojmi: toplota in temperatura

Da bi govorili o termoregulaciji pri živalih, je treba poznati natančno opredelitev pojmov, ki so pogosto nejasni med študenti.

Razumevanje razlike med toploto in temperaturo je bistveno za razumevanje toplotne regulacije živali. Za ilustracijo razlike bomo uporabili nežive telesa: pomislite na dve kovinski kocki, ena je 10-krat večja od druge.

Vsaka od teh kock je v prostoru pri temperaturi 25 ° C. Če merimo temperaturo vsakega bloka, bosta oba na 25 ° C, čeprav je ena velika in druga majhna.

Če izmerimo količino toplote v vsakem bloku, bo rezultat med njima različen. Za izvedbo te naloge moramo premakniti bloke v sobo z absolutno ničelno temperaturo in količino toplote, ki jo oddajajo. V tem primeru bo vsebnost toplote v večji kovinski kocki 10-krat večja.

Temperatura

Zaradi prejšnjega primera lahko sklepamo, da je temperatura enaka za oba in neodvisno od količine snovi v vsakem bloku. Temperatura se meri kot hitrost ali intenzivnost gibanja molekul.

V biološki literaturi, ko avtorji omenjajo "telesno temperaturo", se nanašajo na temperaturo osrednjih regij telesa in na periferne regije. Temperatura osrednjih regij odraža temperaturo "globokih" tkiv telesa - možganov, srca in jeter.

Na temperaturo perifernih območij pa vpliva prehod krvi na kožo in se meri v koži rok in stopal..

Toplota

Nasprotno - in se vračamo na primer blokov - toplota se v obeh inertnih telesih razlikuje in je sorazmerna količini snovi. Je oblika energije in je odvisna od števila atomov in molekul zadevne snovi.

Vrste: toplotni odnosi med živalmi

V živalski fiziologiji obstaja vrsta izrazov in kategorij, ki se uporabljajo za opis toplotnih odnosov med organizmi. Vsaka od teh skupin živali ima posebne prilagoditve - fiziološke, anatomske ali anatomske -, ki jim pomaga vzdrževati telesno temperaturo v ustreznem območju.

V vsakdanjem življenju endotermne in homeotermne živali imenujemo toplokrvne, poikilotermne in ektotermične živali pa hladnokrvne..

Endoterma in ektoterma

Prvi izraz je endothermy, uporabiti, ko se živalim uspeva ogreti z metabolično proizvodnjo toplote. Nasprotni koncept je ektotermija, kjer je temperatura živali pogojena z okoliškim okoljem.

Nekatere živali ne morejo biti endotermne, ker kljub temu, da proizvajajo toploto, tega ne počnejo dovolj hitro, da bi jo zadržale.

Poikiloterm in homeoterm

Drug način razvrščanja je v skladu s termoregulacijo živali. Izraz poikilotherm uporablja se za živali z različnimi telesnimi temperaturami. V teh primerih je telesna temperatura visoka v vročih okoljih in je nizka v hladnih okoljih.

Poikilotermna žival lahko s pomočjo obnašanja samoregulira temperaturo. To je z lociranjem na območjih z visokim sončnim sevanjem za povečanje temperature ali za skrivanje od omenjenega sevanja, da se zmanjša.

Izrazi poikilotherm in ectotherm se nanašata v bistvu na isti pojav. Poikilotermi pa poudarjajo spremenljivost telesne temperature, medtem ko se v ectotermi nanaša na pomen temperature okolice za določanje telesne temperature..

Nasprotni pogoj za poikilotermo je homeoterma: termoregulacija s fiziološkimi sredstvi - in ne samo zaradi uvajanja vedenja. Večina endotermnih živali lahko uravnava svojo temperaturo.

Primeri

Ribe

Ribe so odličen primer ektotermnih in poikilotermičnih živali. V primeru teh plavalcev vretenčarjev njihova tkiva ne proizvajajo toplote prek presnovnih poti, poleg tega pa je temperatura rib določena s temperaturo vodnega telesa, kjer plavajo..

Plazilci

Plazilci kažejo zelo izrazito vedenje, ki jim omogoča, da uravnavajo (etološko) svojo temperaturo. Te živali iščejo tople regije, kot je na primer kamenje na vročem kamnu, da povečajo temperaturo. V nasprotnem primeru, kjer želijo zmanjšati, se bodo skrivali pred sevanjem.

Ptice in sesalci

Sesalci in ptice so primeri endotermnih in homeotermnih živali. Ti metabolno proizvajajo telesno temperaturo in jo fiziološko uravnavajo. Nekatere žuželke kažejo tudi ta fiziološki vzorec.

Zmožnost uravnavanja temperature je dala prednost tem dvema linijama živali pred njihovimi poikilotermnimi dvojniki, saj lahko v svojih celicah in organih vzpostavijo toplotno ravnovesje. To je povzročilo, da so procesi prehrane, presnove in izločanja postali bolj robustni in učinkoviti.

Človek na primer ohranja svojo temperaturo pri 37 ° C, v razmeroma ozkem območju - med 33,2 in 38,2 ° C. Ohranjanje tega parametra je popolnoma kritično za preživetje vrste in posreduje vrsto fizioloških procesov v telesu.

Sprememba prostorske in časovne endotermije in ektotermije

Razlikovanje med temi štirimi kategorijami pogosto postane zmedeno, ko preučujemo primere živali, ki se lahko izmenjujejo med kategorijami, bodisi prostorsko ali časovno.

Časovne spremembe toplotne regulacije lahko ponazarjajo sesalci, ki doživljajo obdobja mirovanja. Te živali so ponavadi homeotermne v letnih časih, ko ne prezimujejo in med mirovanjem ne morejo uravnavati svoje telesne temperature..

Prostorske spremembe nastanejo, ko žival različno uravnava temperaturo v telesnih regijah. Čmrlji in druge žuželke lahko uravnavajo temperaturo svojih prsnih segmentov in ne morejo regulirati preostalih regij. Ta pogoj diferencialne regulacije se imenuje heterothermy.

Fiziologija termoregulacije

Podobno kot vsak sistem fiziološka regulacija telesne temperature zahteva prisotnost aferentnega sistema, kontrolnega centra in eferentnega sistema.

Prvi sistem, aferentni, je odgovoren za zajemanje informacij s pomočjo kožnih receptorjev. Nato se informacije prenesejo v center za termoregulacijo preko krvi prek nevrona.

V normalnih pogojih so organi telesa, ki proizvajajo toploto, srce in jetra. Ko telo opravlja fizično delo (vadbo), je tudi skeletna mišica struktura, ki generira toploto.

Hipotalamus je termoregulacijski center in naloge so razdeljene na toplotne izgube in dobiček. Funkcionalna cona, ki posreduje vzdrževanje toplote, se nahaja v zadnjem predelu hipotalamusa, medtem ko je izguba posredovana s prednjo regijo. Ta organ deluje kot termostat.

Kontrola sistema je dvojna: pozitivna in negativna, ki jo posreduje možganska skorja. Efektorski odzivi so vedenjskega tipa ali pa jih posreduje avtonomni živčni sistem. Ta dva mehanizma bosta proučena pozneje.

Mehanizmi za termoregulacijo

Fiziološki mehanizmi

Mehanizmi za uravnavanje temperature se razlikujejo med tipom prejetega dražljaja, to je, ali gre za povečanje ali znižanje temperature. Zato bomo uporabili ta parameter za določitev klasifikacije mehanizmov:

Regulacija za visoke temperature

Da bi dosegli regulacijo telesne temperature proti toplotnim dražljajem, mora telo spodbujati izgubo telesne temperature. Obstaja več mehanizmov:

Vasodilacija

Pri ljudeh je ena izmed najbolj presenetljivih značilnosti cirkulacije kože široka paleta krvnih žil, ki jih ima. Krvni obtok skozi kožo se zelo razlikuje glede na okoljske razmere in spremembe iz visokih v nizke pretoke krvi.

Sposobnost vazodilatacije je ključna pri termoregulaciji posameznikov. Visok pretok krvi v obdobjih povišane temperature omogoča telesu, da poveča prenos toplote, od jedra telesa do površine kože, da se končno razprši..

Ko se pretok krvi poveča, se volumen krvi poveča. Tako se večja količina krvi prenese iz jedra telesa na površino kože, kjer pride do prenosa toplote. Kri, ki je zdaj hladnejša, se prenese nazaj v jedro ali središče telesa.

Znoj

Poleg vazodilatacije je proizvodnja znojenja ključnega pomena za termoregulacijo, saj pomaga pri odvajanju prekomerne toplote. Pravzaprav sta proizvodnja in kasnejše izhlapevanje znoja glavni mehanizem telesa, ki izgublja toploto. Delujejo tudi med fizično aktivnostjo.

Znoj je tekočina, ki jo proizvajajo žleze znojnice, imenovane ekrin, porazdeljene po celotnem telesu v značilni gostoti..

Regulacija za nizke temperature

V nasprotju z mehanizmi, omenjenimi v prejšnjem oddelku, mora telo v primerih padca temperature spodbujati ohranjanje in proizvodnjo toplote na naslednji način:

Vasokonstrikcija

Ta sistem sledi nasprotni logiki, opisani v vazodilataciji, zato v razlagi ne bomo veliko razširili. Hladno spodbuja krčenje kožnih žil in s tem preprečuje odvajanje toplote.  

Piloerekcija

Ste se kdaj spraševali, zakaj se pojavijo "gosje izbokline", ko se soočamo z nizkimi temperaturami? To je mehanizem, ki preprečuje izgubo toplote, imenovano piloerekcija. Ker pa imajo ljudje relativno malo las v našem telesu, se to šteje za slabo osnovni sistem.

Ko se pojavi višina vsakega dlake, se poveča plast zraka, ki pride v stik s kožo, kar zmanjša konvekcijo zraka. To zmanjša toplotne izgube.

Proizvodnja toplote

Najbolj intuitiven način za preprečevanje nizkih temperatur je proizvodnja toplote. To se lahko zgodi na dva načina: z drgetanjem in neprestanim termogenezo.

V prvem primeru telo proizvaja hitre in nenamerne mišične kontrakcije (zato se drhte, ko ste hladni), kar vodi v proizvodnjo toplote. Drhteča proizvodnja je draga - energetsko gledano - zato jo bo telo uporabilo, če prej omenjeni sistemi ne bodo uspešni..

Drugi mehanizem vodi tkivo, imenovano rjava maščoba (ali rjavo maščobno tkivo, v angleški literaturi je običajno povzeto pod kratico BAT, rjavo maščobno tkivo).

Ta sistem je odgovoren za ločevanje proizvodnje energije v presnovi: namesto oblikovanja ATP vodi v proizvodnjo toplote. To je zlasti pomemben mehanizem pri otrocih in majhnih sesalcih, čeprav najnovejši dokazi kažejo, da je pomemben tudi pri odraslih.

Etološki mehanizmi

Etološki mehanizmi so sestavljeni iz vseh vedenj, ki jih kažejo živali za uravnavanje njihove temperature. Kot smo omenili v primeru plazilcev, lahko organizme postavimo v ugodno okolje, da spodbujamo ali preprečujemo izgubo toplote.

Različni deli možganov sodelujejo pri obdelavi tega odziva. Pri ljudeh so ta obnašanja učinkovita, čeprav niso natančno urejena kot fiziološka.

Spremembe termoregulacije

Telo doživlja majhne in občutljive spremembe temperature skozi dan, odvisno od nekaterih spremenljivk, kot so cirkadiani ritem, hormonski cikel, med drugimi fiziološkimi vidiki..

Kot smo že omenili, telesna temperatura orchestrates velik razpon fizioloških procesov in izguba regulacije lahko povzroči uničujoče razmere v prizadetem organizmu.

Oba termalna ekstrema - tako visoka kot nizka - negativno vplivata na organizme. Zelo visoke temperature, nad 42 ° C pri ljudeh, močno vplivajo na beljakovine, kar pospešuje njihovo denaturacijo. Poleg tega je prizadeta sinteza DNK. Poškodovani so tudi organi in nevroni.

Podobno temperature pod 27 ° C povzročajo hudo hipotermijo. Spremembe v živčno-mišični, kardiovaskularni in respiratorni dejavnosti imajo usodne posledice.

Na termoregulacijo, ki ne deluje pravilno, je prizadetih več organov. Med njimi so srce, možgani, prebavni trakt, pljuča, ledvice in jetra.

Reference

  1. Arellano, J. L. P., & del Pozo, S. D. C. (2013). Priročnik splošne patologije. Elsevier.
  2. Argyropoulos, G., & Harper, M. E. (2002). Vabljeni pregled: razcepne beljakovine in termoregulacija. Časopis za uporabno fiziologijo, 92(5), 2187-2198.
  3. Charkoudian N. (2010). Mehanizmi in modifikatorji refleksa povzročajo kožno vazodilatacijo in vazokonstrikcijo pri ljudeh. Časopis za uporabno fiziologijo (Bethesda, Md .: 1985), 109(4), 1221-8.
  4. Hill, R. W. (1979). Primerjava fiziologije živali: okoljski pristop. Obrnil sem se.
  5. Hill, R.W., Wyse, G.A., Anderson, M., & Anderson, M. (2004). Fiziologija živali. Sinauer Associates.
  6. Liedtke W. B. (2017). Razgradnja termoregulacije sesalcev. Zbornik Nacionalne akademije znanosti Združenih držav Amerike, 114(8), 1765-1767.
  7. Morrison S. F. (2016). Centralna kontrola telesne temperature. F1000Raziskava, 5, F1000 Fakulteta Rev-880.