Фізіологія терморегуляції, механізми, типи та зміни

The терморегуляція Це процес, який дозволяє організмам регулювати температуру своїх тіл, модулюючи втрати і посилення тепла. У тваринному світі існують різні механізми регулювання температури, як фізіологічні, так і етологічні.

Регулювання температури тіла є основною діяльністю будь-якої живої істоти, оскільки цей параметр є критичним для гомеостазу тіла і впливає на функціональність ферментів та інших білків, плинності мембран, потоку іонів тощо..

У своїй найпростішій формі мережі терморегуляції активуються за допомогою схеми, яка об'єднує входи терморецепторів, розташованих в шкірі, в внутрішніх органах, в головному мозку..

Основними механізмами при цих холодних або теплових подразниках є вазоконстрикція шкіри, вазодилатація, виробництво тепла (термогенез) і пітливість. Інші механізми включають в себе поведінку для сприяння або зменшення втрат тепла.

Індекс

• 1 Основні поняття: тепло і температура
  • 1.1 Температура
  • 1.2 Тепло
• 2 Типи: теплові відносини між тваринами
  • 2.1 Ендотерма і ектотерма
  • 2.2 Пойкілотерм і гомеотерма
  • 2.3 Приклади
  • 2.4 Чергування просторової та часової ендотермії та ектотермії
• 3 Фізіологія терморегуляції
• 4 Механізми терморегуляції
  • 4.1 Фізіологічні механізми
  • 4.2 Етологічні механізми
• 5 Зміни терморегуляції
• 6 Посилання

Основні поняття: тепло і температура

Щоб говорити про терморегуляцію у тварин, необхідно знати точне визначення термінів, які часто заплутують студентів.

Розуміння різниці між температурою та температурою є важливим для розуміння термічної регуляції тварин. Ми будемо використовувати неживі тіла, щоб проілюструвати різницю: подумайте про два металевих кубика, один в 10 разів більший за інший.

Кожен з цих кубиків знаходиться в кімнаті при температурі 25 ° С. Якщо виміряти температуру кожного блоку, обидва будуть при 25 ° C, хоча одна велика, а інша мала.

Тепер, якщо виміряти кількість тепла в кожному блоці, результат між ними буде різним. Для виконання цього завдання необхідно перемістити блоки в кімнату з абсолютною нульовою температурою і кількісно визначити кількість тепла, яке вони виділяють. У цьому випадку вміст тепла буде в 10 разів більшим у великому металевому кубі.

Температура

Завдяки попередньому прикладу можна зробити висновок, що температура однакова для обох і незалежно від кількості речовини кожного блоку. Температуру вимірюють як швидкість або інтенсивність руху молекул.

У біологічній літературі, коли автори згадують "температуру тіла", вони відносяться до температури центральних областей тіла і периферійних областей. Температура центральних областей відображає температуру "глибоких" тканин тіла - мозку, серця і печінки.

Температура периферійних областей, з іншого боку, залежить від проходження крові до шкіри і вимірюється в шкірі рук і ніг.

Тепло

Навпаки - і повертаючись до прикладу блоків - теплота відрізняється в обох інертних тілах і прямо пропорційна кількості речовини. Вона є формою енергії і залежить від кількості атомів і молекул даної речовини.

Типи: теплові відносини між тваринами

У фізіології тварин існує ряд термінів і категорій, що використовуються для опису термічних зв'язків між організмами. Кожна з цих груп тварин має спеціальні пристосування - фізіологічні, анатомічні або анатомічні - що допомагає їм підтримувати температуру тіла в достатньому діапазоні.

У повсякденному житті ми називаємо ендотермічні і гомеотермічні тварини "теплокровними", а пойкилотермічні і ектотермічні тварини - "холоднокровними"..

Ендотерма і ектотерма

Перший термін ендотермія, використовується, коли тварині вдається розігрітися з метаболічним виробництвом тепла. Протилежна концепція ектотермія, де температура тварини накладається навколишнім середовищем.

Деякі тварини не можуть бути ендотермічними, тому що, незважаючи на те, що вони виробляють тепло, вони не роблять цього досить швидко, щоб утримувати його.

Поікілотерм і гомеотерм

Іншим способом їх класифікації є терморегуляція тварини. Термін poikilotherm він використовується для позначення тварин з змінною температурою тіла. У цих випадках температура тіла висока в гарячих середовищах і низька в холодних умовах.

Пойкилотермная тварина може саморегулювати свою температуру за допомогою поведінки. Тобто шляхом розміщення в зонах з високим сонячним випромінюванням для підвищення температури або приховування від згаданого випромінювання для зменшення її.

Терміни poikilotherm і ectotherm відносяться в основному до одного і того ж явища. Однак пойкилотерм підкреслює мінливість температури тіла, а в ектотермі - значення температури навколишнього середовища для визначення температури тіла..

Протилежний термін до poikilotherm є homeotherm: терморегуляція фізіологічними засобами - і не тільки завдяки розгортання поведінки. Більшість ендотермічних тварин здатні регулювати свою температуру.

Приклади

Риби

Риби є прекрасним прикладом ектотермічних і пойкілотермічних тварин. У випадку цих плавців хребетних, їх тканини не виробляють тепло через метаболічні шляхи і, крім того, температура риби визначається температурою водного тіла, де вони плавають.

Рептилії

Рептилії мають дуже виражену поведінку, що дозволяє їм регулювати (етологічно) температуру. Ці тварини шукають теплі області - наприклад, сідаючи на гарячому камені - для підвищення температури. В іншому випадку, де вони хочуть зменшити її, вони прагнуть сховатися від радіації.

Птахи та ссавці

Ссавці і птахи є прикладами ендотермічних і гомеотермічних тварин. Вони метаболічно виробляють температуру тіла і регулюють його фізіологічно. Деякі комахи також проявляють цю фізіологічну картину.

Здатність регулювати її температуру давала перевагу цим двома лініями тварин над їхніми пойкилотермическими аналогами, оскільки вони могли встановити теплову рівновагу в своїх клітинах і їх органах. Це призвело до того, що процеси харчування, обміну речовин і виділення стають більш надійними і ефективними.

Людина, наприклад, підтримує свою температуру при 37 ° С, в досить вузькому діапазоні - між 33,2 і 38,2 ° С. Підтримка цього параметра є абсолютно критичною для виживання виду і опосередковує ряд фізіологічних процесів в організмі.

Чергування просторової та тимчасової ендотермії та ектотермії

Різниця між цими чотирма категоріями часто стає заплутаною, коли ми розглядаємо випадки тварин, які здатні чергуватися між категоріями, або просторово, або тимчасово.

Тимчасові зміни термічної регуляції можуть бути проілюстровані ссавцями, які переживають періоди сплячки. Ці тварини, як правило, гомеотермічні протягом сезону року, коли вони не зимують і під час сплячки вони не здатні регулювати температуру тіла..

Просторова варіація виникає, коли тварина диференційовано регулює температуру в областях тіла. Джміли та інші комахи можуть регулювати температуру своїх грудних сегментів і не можуть регулювати решту регіонів. Ця умова диференціальної регуляції називається гетеротермією.

Фізіологія терморегуляції

Як і будь-яка система, фізіологічна регуляція температури тіла вимагає присутності аферентної системи, центру управління і еферентної системи.

Перша система, аферентна, відповідає за захоплення інформації за допомогою шкірних рецепторів. Згодом інформація передається в центр терморегуляції через кров через нейронні.

У нормальних умовах органами тіла, які генерують тепло, є серце і печінка. Коли тіло робить фізичну роботу (фізичне навантаження), скелетні м'язи також є теплогенеруючою структурою.

Гіпоталамус є центром терморегуляції, і завдання поділяються на теплові втрати і посилення. Функціональна зона, що опосередковує підтримку тепла, розташована в задній зоні гіпоталамуса, в той час як втрата опосередкована передньою областю. Цей орган працює як термостат.

Контроль за системою відбувається подвійно: позитивним і негативним, опосередкованим кори головного мозку. Ефекторні відповіді мають поведінковий тип або опосередковуються вегетативною нервовою системою. Ці два механізми будуть вивчені пізніше.

Механізми терморегуляції

Фізіологічні механізми

Механізми регулювання температури змінюються між типом отриманого стимулу, тобто від того, чи є це підвищення або зниження температури. Тому будемо використовувати цей параметр для встановлення класифікації механізмів:

Регулювання для високих температур

Для досягнення регулювання температури тіла проти теплових подразників організм повинен сприяти його втраті. Є кілька механізмів:

Вазодиляція

У людини одна з найбільш яскравих характеристик шкірної циркуляції - широкий спектр кровоносних судин. Кровообіг через шкіру має властивість значно варіювати в залежності від умов навколишнього середовища і зміни від високих до низьких кровоплинів.

Здатність вазодилатації має вирішальне значення в терморегуляції індивідуумів. Високий кровотік в періоди підвищеної температури дозволяє тілу збільшити передачу тепла, від ядра тіла до поверхні шкіри, щоб остаточно розсіятися..

Коли кровообіг збільшується, об'єм крові в свою чергу збільшується. Таким чином, більша кількість крові переноситься з ядра тіла на поверхню шкіри, де відбувається теплообмін. Кров, тепер більш прохолодна, передається назад в ядро ​​або центр тіла.

Піт

Поряд з вазодилатацією виробництво поту є вирішальним для терморегуляції, оскільки сприяє розсіюванню надмірного тепла. Насправді виробництво і подальше випаровування поту є основними механізмами організму для втрати тепла. Вони також діють під час фізичної активності.

Пот - це рідина, що виробляється потовимі залозами, що називаються еккринними, розподіленими по всьому тілу в значній щільності..

Регулювання для низьких температур

На відміну від механізмів, згаданих у попередньому розділі, в ситуаціях падіння температури організм повинен сприяти збереженню та виробництву тепла наступним чином:

Вазоконстрикція

Ця система випливає з протилежної логіки, описаної в вазодилатації, тому ми не будемо поширюватись на пояснення. Холод стимулює скорочення шкірних судин, що дозволяє уникнути розсіювання тепла.  

Piloerection

Ви коли-небудь замислювалися, чому "гусячі удари" з'являються, коли ми стикаємося з низькими температурами? Це механізм, що дозволяє уникнути втрати тепла під назвою пілорекція. Однак, оскільки люди мають відносно мало волосся в нашому тілі, це вважається погано рудиментарною системою.

Коли відбувається піднесення кожного волосся, збільшується шар повітря, що контактує з шкірою, що зменшує конвекцію повітря. Це зменшує втрати тепла.

Виробництво тепла

Найбільш інтуїтивним способом протидії низьким температурам є виробництво тепла. Це може відбуватися двома способами: тремтінням і не тремтінням термогенезу.

У першому випадку організм виробляє швидкі і мимовільні м'язові скорочення (тому ви тремтять, коли ви холодні), що призводить до виробництва тепла. Дрожаче виробництво є дорогим - енергетично кажучи - так що тіло буде вдаватися до нього, якщо вищезгадані системи зазнають невдачі..

Другий механізм керується тканиною, що називається бурим жиром (або коричневою жировою тканиною, в англійській літературі зазвичай підсумовується під абревіатурою BAT коричнева жирова тканина).

Ця система відповідає за роз'єднання виробництва енергії в метаболізмі: замість формування АТФ, це призводить до виробництва тепла. Це особливо важливий механізм у дітей і у дрібних ссавців, хоча останні свідчення зазначають, що він також є актуальним у дорослих.

Етологічні механізми

Етологічні механізми складаються з усіх поведінок тварин, які регулюють їхню температуру. Як ми вже згадували на прикладі рептилій, організми можуть бути поміщені в сприятливе середовище для сприяння або уникнення втрат тепла.

Різні ділянки мозку беруть участь у обробці цієї реакції. У людини такі поведінки є ефективними, хоча вони фізіологічно не регулюються.

Зміни терморегуляції

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

Як уже згадувалося, температура тіла оркеструє величезний діапазон фізіологічних процесів і втрата регуляції може призвести до руйнівних умов всередині ураженого організму..

Обидва теплові екстремуми - як високі, так і низькі - негативно впливають на організми. Дуже високі температури, вище 42 ° C у людей, сильно впливають на білки, сприяючи їх денатурації. Крім того, впливає синтез ДНК. Також пошкоджені органи і нейрони.

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

Ураження органів впливає на те, що терморегуляція не працює правильно. Серед них серце, мозок, шлунково-кишковий тракт, легені, нирки і печінка.

Список літератури

1. Arellano, J. L. P., & del Pozo, S. D. C. (2013). Посібник із загальної патології. Elsevier.
2. Argyropoulos, G., & Harper, M.E. (2002). Запрошений огляд: розщеплення білків і терморегуляція. Журнал прикладної фізіології, 92(5), 2187-2198.
3. Charkoudian N. (2010). Механізми і модифікатори рефлексу викликали вазодилатацію шкіри і вазоконстрикцію у людини. Журнал прикладної фізіології (Bethesda, Md: 1985), 109(4), 1221-8.
4. Hill, R. W. (1979). Порівняна фізіологія тварин: екологічний підхід. Я повернувся назад.
5. Hill, R.W., Wyse, G.A., Anderson, M., & Anderson, M. (2004). Фізіологія тварин. Sinauer Associates.
6. Liedtke W. B. (2017). Деконструювання терморегуляції ссавців. Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки, 114(8), 1765-1767.
7. Моррісон С. Ф. (2016). Центральний контроль температури тіла. F1000Дослідження, 5, F1000 Факультет Rev-880.