ТЕРМОРЕГУЛЯЦІЯ: ФІЗІОЛОГІЯ, МЕХАНІЗМИ, ТИПИ ТА ЗМІНИ - БІОЛОГІЯ - 2024

Терморегуляції є процес , який дозволяє організмам регулювати свою температуру тіла, модулюючи втрати тепла і посилення. У тваринництві існують різні механізми регулювання температури, як фізіологічні, так і етологічні.

Регулювання температури тіла є основною діяльністю для будь-якої живої істоти, оскільки параметр є критичним для гомеостазу організму і впливає на функціональність ферментів та інших білків, плинність мембрани, потік іонів серед інших. .

Ссавці - гомеотермічні та ендотермічні. Джерело: Алан Вілсон

У своїй найпростішій формі мережі терморегуляції активізуються за допомогою ланцюга, який інтегрує входи терморецепторів, розташованих у шкірі, у внутрішніх органах, в головному мозку.

Основними механізмами цих гарячих або холодних подразників є шкірне звуження судин, розширення судин, вироблення тепла (термогенез) та пітливість. Інші механізми включають поведінку для сприяння або зменшення втрат тепла.

Основи: тепло і температура

Щоб говорити про терморегуляцію у тварин, необхідно знати точне визначення термінів, які часто бентежать серед учнів.

Розуміння різниці між теплом і температурою має важливе значення для розуміння терморегуляції тварин. Ми будемо використовувати неживі тіла, щоб проілюструвати різницю: давайте подумаємо про два кубики металу, один у 10 разів більший за інший.

Кожен з цих кубиків знаходиться в приміщенні при температурі 25 ° C. Якщо виміряти температуру кожного блоку, обидва будуть на рівні 25 ° C, хоча один великий, а другий малий.

Тепер, якщо виміряти кількість тепла в кожному блоці, результат між ними буде різним. Для виконання цього завдання ми повинні перенести блоки в приміщення з температурою абсолютного нуля і кількісно визначити кількість тепла, яке вони виділяють. У цьому випадку вміст тепла буде у 10 разів більшим у найбільшому металевому кубі.

Температура

Завдяки попередньому прикладу можна зробити висновок, що температура однакова для обох і незалежна від кількості речовини в кожному блоці. Температура вимірюється як швидкість або інтенсивність руху молекул.

У біологічній літературі, коли автори згадують про «температуру тіла», вони посилаються на температуру центральної та периферичної областей тіла. Температура центральних областей відображає температуру "глибоких" тканин організму - мозку, серця та печінки.

На температуру периферичних областей, зі свого боку, впливає проходження крові до шкіри і вимірюється на шкірі рук і ніг.

Гарячий

Навпаки - і повертаючись до прикладу блоків - тепло відрізняється як в інертних тілах, так і прямо пропорційно кількості речовини. Це форма енергії і залежить від кількості атомів і молекул відповідної речовини.

Види: теплові зв’язки між тваринами

У фізіології тварин існує ряд термінів і категорій, які використовуються для опису теплових зв’язків між організмами. Кожна з цих груп тварин має спеціальні пристосування - фізіологічні, анатомічні чи анатомічні - що допомагають їм підтримувати температуру тіла у відповідному діапазоні.

У повсякденному житті ми називаємо ендотермічних та гомеотермічних тварин як "теплокровних", а пойкілотермічні та ектотермічні тварини - "холоднокровними".

Ендотерм і ектотерм

Перший термін - ендотермія, вживається, коли тварині вдається зігрітися, опосередковуючи метаболічну продукцію тепла. Протилежне поняття - ектотермія, де температуру тварини диктує навколишнє середовище.

Деякі тварини не здатні бути ендотермічними, оскільки, хоча вони виробляють тепло, вони не роблять це досить швидко, щоб утримати його.

Пойкілотермічні та гомеотермічні

Ще один спосіб їх класифікації - відповідно до терморегуляції тварини. Термін poikilotherm використовується для позначення тварин з різною температурою тіла. У цих випадках температура тіла висока в жарких умовах і низька в холодних умовах.

Пойкілотермічна тварина може саморегулювати свою температуру за допомогою поведінки. Тобто, розміщуючи в районах з високим сонячним випромінюванням підвищення температури або сховатися від випромінювання, щоб зменшити її.

Терміни poikilotherm і ectotherm стосуються в основному одного явища. Однак пойкілотерм підкреслює мінливість температури тіла, тоді як ектотерм посилається на важливість температури навколишнього середовища для визначення температури тіла.

Протилежний термін для poikilotherm є гомеотермічним: терморегуляція фізіологічними засобами - і не лише завдяки прояву поведінки. Більшість ендотермічних тварин здатні регулювати свою температуру.

Приклади

Риби

Риби - ідеальний приклад ектотермічних та пойкілотермічних тварин. У випадку цих плавальних хребетних їх тканини не виробляють тепло метаболічними шляхами і, крім того, температура риби визначається температурою тіла води, де вони плавають.

Рептилії

Рептилії виявляють дуже виражену поведінку, що дозволяє їм регулювати (етологічно) свою температуру. Ці тварини шукають теплі ділянки - наприклад, сідати на гарячий камінь - для підвищення температури. Інакше там, де вони хочуть її зменшити, вони намагатимуться сховатися від радіації.

Птахи та ссавці

Ссавці та птахи - приклади ендотермічних та гомеотермічних тварин. Вони метаболічно виробляють вашу температуру тіла і регулюють її фізіологічно. Деякі комахи також проявляють цю фізіологічну закономірність.

Здатність регулювати свою температуру давала перевагу цим двом тваринам за походженням над своїми поікілотермічними аналогами, оскільки вони можуть встановити теплову рівновагу у своїх клітинах та органах. Це призвело до того, що процеси живлення, обміну речовин та виділення були більш надійними та ефективними.

Наприклад, люди підтримують свою температуру на рівні 37 ° C, в досить вузькому діапазоні - між 33,2 і 38,2 ° C. Утримання цього параметра є абсолютно критичним для виживання виду і опосередковує низку фізіологічних процесів в організмі.

Просторове та часове чергування ендотермії та ектотермії

Відмінність між цими чотирма категоріями часто плутається, коли ми розглядаємо випадки тварин, які здатні чергуватися між категоріями, просторово чи часово.

Тимчасові зміни терморегуляції можна пояснити, коли ссавці переживають періоди сплячки. Ці тварини, як правило, гомеотермічні протягом року, коли вони не впадають у сплячку, а під час сплячки вони не в змозі регулювати температуру тіла.

Просторові коливання виникають, коли тварина по-різному регулює температуру в ділянках тіла. Джмелі та інші комахи можуть регулювати температуру грудних сегментів і не в змозі регулювати решту регіонів. Ця умова диференціальної регуляції називається гетеротермією.

Фізіологія терморегуляції

Як і будь-яка система, фізіологічне регулювання температури тіла вимагає наявності аферентної системи, центру контролю та еферентної системи.

Перша система, аферент, відповідає за захоплення інформації через шкірні рецептори. Згодом інформація передається в терморегуляторний центр по нейронному шляху через кров.

У нормальних умовах органи організму, які виробляють тепло, - це серце і печінка. Коли тіло займається фізичною роботою (фізичними вправами), скелетний м’яз - це також теплогенеруюча структура.

Гіпоталамус - це терморегуляційний центр, а завдання поділяються на втрати тепла та тепловіддачу. Функціональна зона для опосередкування утримання тепла розташована в задній зоні гіпоталамуса, тоді як втрати опосередковуються передньою областю. Цей орган працює як термостат.

Управління системою відбувається двома способами: позитивним і негативним, опосередкованим кором головного мозку. Ефекторні реакції мають поведінковий тип або опосередковуються вегетативною нервовою системою. Ці два механізми будуть вивчені пізніше.

Терморегуляційні механізми

Фізіологічні механізми

Механізми регулювання температури різняться між типом отриманого подразника, тобто чи це підвищення чи зниження температури. Тому ми будемо використовувати цей параметр для встановлення класифікації механізмів:

Регулювання високих температур

Для досягнення регуляції температури тіла на тлі теплових подразників організм повинен сприяти його втраті. Існує кілька механізмів:

Розширення судин

У людини однією з найяскравіших характеристик кровообігу є широкий спектр судин, які він має. Циркуляція крові через шкіру має властивість сильно змінюватися залежно від умов навколишнього середовища та змінюватися від високого до низького кровотоку.

Здатність вазодилатації має вирішальне значення при терморегуляції особин. Підвищений приплив крові в періоди підвищеної температури дозволяє організму підвищити передачу тепла від серцевини тіла до поверхні шкіри, нарешті, розсіяти.

При збільшенні кровотоку об'єм шкірної крові в свою чергу збільшується. Таким чином, більша кількість крові переноситься з ядра тіла на поверхню шкіри, де відбувається передача тепла. Тепер холодніша кров переноситься назад до ядра або центру тіла.

Потіти

Поряд з розширенням судин, вироблення поту має вирішальне значення для терморегуляції, оскільки це допомагає розсіювати зайве тепло. Насправді, виробництво та подальше випаровування поту є основними механізмами втрати тепла. Вони також працюють під час фізичних навантажень.

Пот - це рідина, що утворюється потовими залозами, що називається еккрином, розподіляється по всьому тілу у значній щільності.Попаровування поту вдається переносити тепло з організму в навколишнє середовище у вигляді водяної пари.

Регулювання низьких температур

На відміну від механізмів, згаданих у попередньому розділі, в ситуаціях зниження температури організм повинен сприяти збереженню та виробленню тепла таким чином:

Вазоконстрикція

Ця система дотримується протилежної логіки, описаної у вазодилатації, тому ми не будемо детально розбиратися в поясненні. Застуда стимулює скорочення шкірних судин, тим самим уникаючи розсіювання тепла.

Пілоерекція

Ви ніколи не замислювалися про те, чому виникають «гусячі випинання», коли ми перед низькими температурами? Це механізм запобігання втрат тепла, який називається пілоерекцією. Однак, оскільки люди мають відносно мало волосся на наших тілах, це вважається неефективною і рудиментарною системою.

Коли відбувається підняття кожного волосся, шар повітря, який контактує зі шкірою, збільшується, що зменшує конвекцію повітря. Це зменшує втрати тепла.

Виробництво тепла

Найінтуїтивніший спосіб протидії низьким температурам - це отримання тепла. Це може відбуватися двома способами: тремтінням та не тремтінням термогенезу.

У першому випадку організм виробляє швидкі і мимовільні скорочення м’язів (саме тому ви тремтіли, коли холодно), які призводять до вироблення тепла. Виробництво тремтіння дорого - енергетично кажучи - тому організм відвалиться на нього, якщо вищезгадані системи вийдуть з ладу.

Другий механізм керується тканиною, що називається коричневим жиром (або коричневою жировою тканиною, в англійській літературі зазвичай підсумовується під абревіатурою BAT для коричневої жирової тканини).

Ця система відповідає за роз'єднання виробництва енергії в обміні речовин: замість формування АТФ це призводить до виробництва тепла. Це особливо важливий механізм у дітей та дрібних ссавців, хоча новітні дані свідчать, що він є актуальним і для дорослих.

Етологічні механізми

Етологічні механізми складаються з усіх форм поведінки, які тварини виявляють для регулювання їх температури. Як ми згадували на прикладі плазунів, організми можна розмістити в потрібному середовищі для сприяння або запобігання втрат тепла.

У обробці цієї відповіді беруть участь різні частини мозку. У людей така поведінка є ефективною, хоча вони не є точно регульованими, як фізіологічні.

Порушення терморегуляції

Організм відчуває невеликі та делікатні зміни температури протягом дня, залежно від деяких змінних, таких як циркадний ритм, гормональний цикл, серед інших фізіологічних аспектів.

Як ми вже згадували, температура тіла оркеструє величезний спектр фізіологічних процесів і втрата його регуляції може призвести до руйнівних умов всередині ураженого організму.

Обидві теплові крайності - і високі, і низькі - негативно впливають на організми. Дуже високі температури, вище 42 ° С у людини, мають дуже виражений вплив на білки, сприяючи їх денатурації. Також впливає синтез ДНК. Органи і нейрони також пошкоджуються.

Аналогічно, температура нижче 27 ° C призводить до важкої гіпотермії. Зміни нервово-м’язової, серцево-судинної та дихальної діяльності мають фатальні наслідки.

Багато органів впливають, коли терморегуляція працює не правильно. До них належать серце, мозок, шлунково-кишковий тракт, легені, нирки та печінка.

Список літератури

1. Ареллано, JLP та дель Позо, SDC (2013). Посібник із загальної патології. Ельзев'є.
2. Argyropoulos, G., & Harper, ME (2002). Запрошений огляд: роз'єднання білків та терморегуляція. Журнал прикладної фізіології, 92 (5), 2187-2198.
3. Чаркудян Н. (2010). Механізми та модифікатори рефлекторної шкірної вазодилатації та звуження судин у людини. Журнал прикладної фізіології (Bethesda, Md .: 1985), 109 (4), 1221-8.
4. Hill, RW (1979). Порівняльна фізіологія тварин: екологічний підхід. Я перевернувся.
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., & Anderson, M. (2004). Фізіологія тварин. Sinauer Associates.
6. Liedtke WB (2017). Деконструкція терморегуляції ссавців. Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки, 114 (8), 1765-1767.
7. Моррісон С.Ф. (2016). Центральний контроль температури тіла. F1000Research, 5, F1000 Факультет Rev-880.