ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ: ФИЗИОЛОГИЯ, МЕХАНИЗМЫ, ВИДЫ И ИЗМЕНЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

Терморегуляции представляют собой процесс , который позволяет организмам регулировать свою температуру тела, модулируя потери тепла и усиление. В животном мире существуют разные механизмы регулирования температуры, как физиологические, так и этологические.

Регулирование температуры тела - основная деятельность любого живого существа, потому что этот параметр имеет решающее значение для гомеостаза организма и влияет на функциональность ферментов и других белков, текучесть мембраны, поток ионов, среди прочего. .

Млекопитающие бывают гомеотермными и эндотермическими. Источник: Алан Уилсон

В своей простейшей форме сети терморегуляции активируются с помощью схемы, которая объединяет входы терморецепторов, расположенных в коже, во внутренних органах, в мозге, среди прочего.

Основные механизмы этих горячих или холодных раздражителей включают кожную вазоконстрикцию, расширение сосудов, выработку тепла (термогенез) и потоотделение. Другие механизмы включают поведение, способствующее или уменьшающее потерю тепла.

Основы: тепло и температура

Чтобы говорить о терморегуляции у животных, необходимо знать точное определение терминов, которые часто сбивают с толку студентов.

Понимание разницы между теплом и температурой необходимо для понимания терморегуляции животных. Мы будем использовать неодушевленные тела, чтобы проиллюстрировать разницу: давайте представим два кубика металла, один в 10 раз больше другого.

Каждый из этих кубиков находится в комнате при температуре 25 ° C. Если мы измерим температуру каждого блока, оба будут при 25 ° C, хотя один большой, а другой маленький.

Теперь, если мы измерим количество тепла в каждом блоке, результат между ними будет отличаться. Чтобы выполнить эту задачу, мы должны переместить блоки в комнату с температурой абсолютного нуля и определить количество тепла, которое они выделяют. В этом случае в самом большом металлическом кубе теплосодержание будет в 10 раз выше.

температура

Благодаря предыдущему примеру мы можем сделать вывод, что температура одинакова для обоих и не зависит от количества вещества в каждом блоке. Температура измеряется как скорость или интенсивность движения молекул.

В биологической литературе, когда авторы упоминают «температуру тела», они имеют в виду температуру центральных и периферических областей тела. Температура центральных областей отражает температуру «глубоких» тканей тела - мозга, сердца и печени.

На температуру периферических областей, в свою очередь, влияет прохождение крови к коже, и ее измеряют на коже рук и ног.

Горячий

Напротив - и возвращаясь к примеру блоков - тепло в инертных телах различно и прямо пропорционально количеству материи. Это форма энергии, которая зависит от количества атомов и молекул рассматриваемого вещества.

Типы: тепловые отношения между животными

В физиологии животных существует ряд терминов и категорий, используемых для описания тепловых отношений между организмами. Каждая из этих групп животных имеет особые приспособления - физиологические, анатомические или анатомические - которые помогают им поддерживать температуру тела в подходящем диапазоне.

В повседневной жизни мы называем эндотермных и гомеотермных животных «теплокровными», а пойкилотермных и эктотермных животных - «хладнокровными».

Эндотерм и эктотерм

Первый термин - эндотермия, используется, когда животному удается согреться, опосредуя метаболическое производство тепла. Противоположная концепция - это эктотермия, при которой температура животного определяется окружающей средой.

Некоторые животные не способны быть эндотермическими, потому что, хотя они выделяют тепло, они не делают это достаточно быстро, чтобы удерживать его.

Пойкилотермный и гомеотермный

Еще один способ их классификации - по терморегуляции животного. Термин пойкилотерм используется для обозначения животных с различной температурой тела. В этих случаях температура тела высокая в жарких условиях и низкая в холодных.

Пойкилотермное животное может саморегулировать свою температуру посредством поведения. То есть путем размещения в областях с высокой солнечной радиацией для повышения температуры или укрытия от указанного излучения для ее уменьшения.

Термины пойкилотерм и эктотерм относятся в основном к одному и тому же явлению. Однако пойкилотерм подчеркивает изменчивость температуры тела, в то время как эктотерм относится к важности температуры окружающей среды для определения температуры тела.

Противоположный термин для пойкилотерма - гомеотермия: терморегуляция физиологическими средствами - и не только благодаря демонстрации поведения. Большинство эндотермических животных способны регулировать свою температуру.

Примеры

Рыбы

Рыба - прекрасный пример экзотермических и пойкилотермных животных. В случае этих плавающих позвоночных, их ткани не выделяют тепло посредством метаболических путей, и, кроме того, температура рыб определяется температурой воды, в которой они плавают.

Рептилии

Рептилии демонстрируют очень заметное поведение, которое позволяет им регулировать (этологически) свою температуру. Эти животные ищут теплые места - например, садятся на горячий камень - чтобы повысить температуру. В противном случае там, где они хотят его уменьшить, они будут стремиться спрятаться от радиации.

Птицы и млекопитающие

Млекопитающие и птицы являются примерами эндотермических и гомеотермных животных. Они метаболически производят температуру вашего тела и регулируют ее физиологически. Некоторые насекомые также демонстрируют этот физиологический образец.

Способность регулировать температуру дала этим двум линиям животных преимущество перед их пойкилотермными собратьями, поскольку они могут устанавливать тепловое равновесие в своих клетках и органах. Это привело к тому, что процессы питания, обмена веществ и выделения стали более устойчивыми и эффективными.

Например, люди поддерживают температуру 37 ° C в довольно узком диапазоне - от 33,2 до 38,2 ° C. Поддержание этого параметра имеет решающее значение для выживания вида и опосредует ряд физиологических процессов в организме.

Пространственное и временное чередование эндотермии и эктотермии

Различие между этими четырьмя категориями часто сбивается с толку, когда мы исследуем случаи животных, которые способны чередовать категории либо в пространстве, либо во времени.

Временные изменения терморегуляции можно проиллюстрировать на млекопитающих, переживающих периоды спячки. Эти животные, как правило, теплокровны во время года, когда они не находятся в спячке и во время спячки они не могут регулировать температуру своего тела.

Пространственные вариации возникают, когда животное по-разному регулирует температуру в разных частях тела. Шмели и другие насекомые могут регулировать температуру своих грудных сегментов и не могут регулировать остальные области. Это состояние дифференциальной регуляции называется гетеротермией.

Физиология терморегуляции

Как и любая система, физиологическая регуляция температуры тела требует наличия афферентной системы, центра управления и эфферентной системы.

Первая система, афферентная, отвечает за захват информации через кожные рецепторы. Впоследствии информация передается в центр терморегуляции по нервным путям через кровь.

В нормальных условиях органы тела, выделяющие тепло, - это сердце и печень. Когда тело выполняет физическую работу (упражнения), скелетные мышцы также являются тепловыделяющей структурой.

Гипоталамус является центром терморегуляции, и его задачи делятся на потерю тепла и получение тепла. Функциональная зона, обеспечивающая поддержание тепла, расположена в задней зоне гипоталамуса, в то время как потеря опосредуется передней областью. Этот орган работает как термостат.

Управление системой происходит двумя способами: положительным и отрицательным, опосредованным корой головного мозга. Эффекторные реакции относятся к поведенческому типу или опосредуются вегетативной нервной системой. Эти два механизма будут изучены позже.

Механизмы терморегуляции

Физиологические механизмы

Механизмы регулирования температуры различаются в зависимости от типа полученного стимула, то есть от повышения или понижения температуры. Таким образом, мы будем использовать этот параметр, чтобы установить классификацию механизмов:

Регулировка для высоких температур

Чтобы достичь регуляции температуры тела при тепловых раздражителях, тело должно способствовать ее потере. Есть несколько механизмов:

Расширение сосудов

У людей одна из самых ярких характеристик кожного кровообращения - это широкий спектр кровеносных сосудов. Кровообращение через кожу имеет свойство сильно варьироваться в зависимости от условий окружающей среды и меняться от высокого до низкого кровотока.

Способность к расширению сосудов имеет решающее значение для терморегуляции человека. Повышенный кровоток в периоды повышенной температуры позволяет телу увеличивать передачу тепла от сердцевины тела к поверхности кожи, чтобы окончательно рассеять тепло.

Когда кровоток увеличивается, объем кожной крови, в свою очередь, увеличивается. Таким образом, большее количество крови переносится от сердцевины тела к поверхности кожи, где происходит передача тепла. Теперь более холодная кровь возвращается к сердцевине или центру тела.

Пот

Наряду с расширением сосудов, выделение пота имеет решающее значение для терморегуляции, поскольку помогает отводить излишнее тепло. Фактически, производство и последующее испарение пота являются основными механизмами потери тепла телом. Они также работают во время физических нагрузок.

Пот - это жидкость, вырабатываемая потовыми железами, называемыми эккрином, которые распределены по всему телу в значительной плотности. Испарение пота позволяет передавать тепло от тела к окружающей среде в виде водяного пара.

Регулирование низких температур

В отличие от механизмов, упомянутых в предыдущем разделе, в ситуациях падения температуры тело должно способствовать сохранению и производству тепла следующим образом:

Вазоконстрикция

Эта система следует противоположной логике, описанной для вазодилатации, поэтому мы не будем подробно останавливаться на объяснении. Холод стимулирует сокращение кожных сосудов, что позволяет избежать рассеивания тепла.

Пилоэрекция

Вы когда-нибудь задумывались, почему появляются «мурашки по коже», когда мы находимся перед низкими температурами? Это механизм предотвращения потери тепла, называемый пилоэрекцией. Однако, поскольку у людей на теле относительно мало волос, это считается неэффективной и рудиментарной системой.

Когда происходит подъем каждого волоса, слой воздуха, который контактирует с кожей, увеличивается, что уменьшает конвекцию воздуха. Это снижает потери тепла.

Производство тепла

Самый интуитивный способ противодействовать низким температурам - это нагревание. Это может происходить двумя способами: дрожанием и термогенезом без дрожи.

В первом случае тело производит быстрые и непроизвольные сокращения мышц (поэтому вы дрожите, когда вам холодно), что приводит к выделению тепла. Производство дрожжей обходится дорого - с энергетической точки зрения - поэтому организм будет использовать его, если вышеупомянутые системы выйдут из строя.

Второй механизм управляется тканью, называемой коричневым жиром (или коричневой жировой тканью, в английской литературе ее обычно обозначают аббревиатурой BAT, что означает коричневая жировая ткань).

Эта система отвечает за разделение производства энергии в метаболизме: вместо образования АТФ она приводит к выработке тепла. Это особенно важный механизм у детей и мелких млекопитающих, хотя более свежие данные показали, что он также актуален и у взрослых.

Этологические механизмы

Этологические механизмы состоят из всего поведения, которое животные демонстрируют для регулирования своей температуры. Как мы упоминали в примере с рептилиями, организмы можно поместить в подходящую среду, чтобы способствовать или предотвратить потерю тепла.

В обработке этой реакции участвуют разные части мозга. У людей такое поведение эффективно, хотя и не регулируется точно, как физиологические.

Нарушения терморегуляции

В течение дня тело испытывает небольшие и тонкие изменения температуры в зависимости от некоторых переменных, таких как циркадный ритм, гормональный цикл и других физиологических аспектов.

Как мы уже упоминали, температура тела управляет огромным набором физиологических процессов, и потеря регуляции может привести к разрушительным условиям в пораженном организме.

Оба температурных экстремума - как высокие, так и низкие - отрицательно влияют на организмы. Очень высокие температуры, превышающие 42 ° C у человека, очень сильно влияют на белки, способствуя их денатурации. Также нарушается синтез ДНК. Также повреждаются органы и нейроны.

Точно так же температура ниже 27 ° C приводит к сильному переохлаждению. Изменения нервно-мышечной, сердечно-сосудистой и дыхательной деятельности имеют фатальные последствия.

Когда терморегуляция не работает должным образом, страдают несколько органов. К ним относятся сердце, мозг, желудочно-кишечный тракт, легкие, почки и печень.

Ссылки

1. Арельяно, JLP, и дель Посо, SDC (2013). Справочник общей патологии. Elsevier.
2. Аргиропулос, Г., и Харпер, МЭ (2002). Приглашенный обзор: разобщение белков и терморегуляция. Журнал прикладной физиологии, 92 (5), 2187-2198.
3. Чаркоудян Н. (2010). Механизмы и модификаторы рефлекторно-индуцированной кожной вазодилатации и вазоконстрикции у человека. Журнал прикладной физиологии (Bethesda, MD: 1985), 109 (4), 1221-8.
4. Хилл, RW (1979). Сравнительная физиология животных: экологический подход. Я поменял направление.
5. Хилл, Р. У., Вайс, Джорджия, Андерсон, М., и Андерсон, М. (2004). Физиология животных. Sinauer Associates.
6. Liedtke WB (2017). Разрушение терморегуляции млекопитающих. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, 114 (8), 1765-1767.
7. Моррисон С.Ф. (2016). Центральный контроль температуры тела. F1000Research, 5, F1000 Faculty Rev-880.