TERMOREGULACE: FYZIOLOGIE, MECHANISMY, TYPY A ZMĚNY - BIOLOGIE - 2025

Termoregulace je proces, který umožňuje organismy regulovat svou tělesnou teplotu, modulační tepelných ztrát a zisk. V říši zvířat existují různé mechanismy pro regulaci teploty, fyziologické i etologické.

Regulace tělesné teploty je základní aktivitou pro každou živou bytost, protože parametr je kritický pro homeostázu těla a ovlivňuje funkčnost enzymů a jiných proteinů, tekutost membrány, tok iontů, mimo jiné..

Savci jsou homeotermní a endotermní. Zdroj: Alan Wilson

Ve své nejjednodušší formě jsou termoregulační sítě aktivovány pomocí obvodu, který integruje mimo jiné vstupy termoreceptorů umístěných v kůži, v viscerách, v mozku.

Mezi hlavní mechanismy těchto horkých nebo studených podnětů patří kožní vazokonstrikce, vazodilatace, produkce tepla (termogeneze) a pocení. Mezi další mechanismy patří chování, které podporuje nebo snižuje tepelné ztráty.

Základy: teplo a teplota

Pokud jde o termoregulaci u zvířat, je nutné znát přesnou definici termínů, které jsou často mezi studenty matoucí.

Pochopení rozdílu mezi teplem a teplotou je zásadní pro pochopení tepelné regulace zvířat. Na ilustraci rozdílu použijeme neživá těla: pojďme myslet na dvě kostky kovu, jedna je 10krát větší než druhá.

Každá z těchto kostek je v místnosti při teplotě 25 ° C. Pokud změříme teplotu každého bloku, oba budou při 25 ° C, i když jeden je velký a druhý malý.

Nyní, pokud změříme množství tepla v každém bloku, bude výsledek mezi nimi odlišný. K provedení tohoto úkolu musíme bloky přesunout do místnosti s teplotou absolutně nulovou a kvantifikovat množství tepla, které vydávají. V tomto případě bude obsah tepla v největší kovové kostce 10krát vyšší.

Teplota

Díky předchozímu příkladu můžeme dojít k závěru, že teplota je stejná pro oba a nezávisle na množství hmoty v každém bloku. Teplota se měří jako rychlost nebo intenzita pohybu molekul.

Když v biologické literatuře autoři uvádějí „tělesnou teplotu“, vztahují se na teplotu centrální a periferní oblasti těla. Teplota oblastí jádra odráží teplotu „hlubokých“ tkání těla - mozku, srdce a jater.

Teplota periferních oblastí je ovlivněna průchodem krve do kůže a měří se na kůži rukou a nohou.

Horký

Naproti tomu - a vracíme se k příkladu bloků - teplo je v obou inertních tělesech odlišné a přímo úměrné množství hmoty. Je to forma energie a závisí na počtu atomů a molekul dané látky.

Typy: tepelné vztahy mezi zvířaty

Ve fyziologii zvířat existuje celá řada termínů a kategorií používaných k popisu tepelných vztahů mezi organismy. Každá z těchto skupin zvířat má speciální úpravy - fyziologické, anatomické nebo anatomické - které jim pomáhají udržovat tělesnou teplotu ve vhodném rozmezí.

V každodenním životě nazýváme endotermická a homeotermická zvířata jako „teplokrevní“ a poikilotermická a ekotermická zvířata jako „chladnokrevní“.

Endotherm a ectotherm

První termín je endotermie, který se používá, když se zvíře dokáže zahřát tím, že zprostředkuje metabolickou produkci tepla. Opačným konceptem je ektotermie, kde je teplota zvířete diktována okolním prostředím.

Některá zvířata nemohou být endotermní, protože ačkoli produkují teplo, nedělají to dostatečně rychle, aby si to udrželi.

Poikilotermické a homeotermické

Dalším způsobem, jak je klasifikovat, je termoregulace zvířete. Termín poikilotherm se používá pro označení zvířat s různou tělesnou teplotou. V těchto případech je tělesná teplota vysoká v horkém prostředí a nízká v chladném prostředí.

Poikilotermické zvíře si může prostřednictvím chování samoregulovat teplotu. To znamená, že umístěním v oblastech s vysokým slunečním zářením se zvýší teplota nebo se skryje před uvedeným zářením a sníží se.

Pojmy poikilotherm a ectotherm odkazují v podstatě na stejný jev. Poikilotherm však zdůrazňuje variabilitu tělesné teploty, zatímco ectotherm odkazuje na význam teploty prostředí při určování tělesné teploty.

Opačný termín pro poikilotherm je homeotermický: termoregulace fyziologickými prostředky - a to nejen díky projevům chování. Většina endotermických zvířat je schopna regulovat jejich teplotu.

Příklady

Ryby

Ryby jsou dokonalým příkladem ektotermických a poikilotermických zvířat. V případě těchto plaveckých obratlovců jejich tkáně neprodukují teplo metabolickými drahami a kromě toho je teplota ryb určována teplotou vody v místě, kde plavou.

Plazi

Plazi projevují velmi výrazné chování, které jim umožňuje (etologicky) regulovat jejich teplotu. Tato zvířata vyhledávají teplé oblasti - například posezení na horkém kameni - za účelem zvýšení teploty. Jinak, pokud to chtějí snížit, budou se snažit skrýt před zářením.

Ptáci a savci

Savci a ptáci jsou příklady endotermních a homeotermických zvířat. Metabolicky produkují vaši tělesnou teplotu a fyziologicky ji regulují. Některé druhy hmyzu také vykazují tento fyziologický vzorec.

Schopnost regulovat jejich teplotu poskytla těmto dvěma zvířecím liniím výhodu oproti jejich poikilotermickým protějškům, protože mohou ve svých buňkách a orgánech vytvořit tepelnou rovnováhu. To vedlo k robustnějším a účinnějším procesům výživy, metabolismu a vylučování.

Například lidé si udržují svou teplotu na 37 ° C, v poměrně úzkém rozmezí - mezi 33,2 a 38,2 ° C. Udržování tohoto parametru je naprosto kritické pro přežití druhu a zprostředkovává řadu fyziologických procesů v těle.

Prostorová a časová střídání endotermie a ektotermie

Rozdíl mezi těmito čtyřmi kategoriemi je často zaměňován, když zkoumáme případy zvířat, která jsou schopna střídat mezi kategoriemi, ať už prostorově nebo časově.

Příkladem dočasné změny teplotní regulace mohou být savci, kteří zažívají období hibernace. Tato zvířata jsou obvykle homeotermická v obdobích roku, kdy nejsou hibernace a během hibernace nejsou schopna regulovat svou tělesnou teplotu.

K prostorové variabilitě dochází, když zvíře odlišně reguluje teplotu v oblastech těla. Čmeláci a další hmyz mohou regulovat teplotu jejich hrudních segmentů a nejsou schopni regulovat zbytek regionů. Tato podmínka diferenciální regulace se nazývá heterotermie.

Fyziologie termoregulace

Fyziologická regulace tělesné teploty, stejně jako jakýkoli systém, vyžaduje přítomnost aferentního systému, kontrolního centra a efferentního systému.

První systém, aferentní, je zodpovědný za sběr informací prostřednictvím kožních receptorů. Následně se informace přenáší do termoregulačního centra nervovou cestou krví.

Za normálních podmínek jsou tělními orgány, které vytvářejí teplo, srdce a játra. Když tělo vykonává fyzickou práci (cvičení), kosterní sval je také strukturou vytvářející teplo.

Hypotalamus je termoregulační centrum a úkoly jsou rozděleny na tepelné ztráty a tepelné zisky. Funkční zóna pro zprostředkování udržování tepla je umístěna v zadní zóně hypotalamu, zatímco ztráta je zprostředkována přední oblastí. Tento orgán funguje jako termostat.

K ovládání systému dochází dvěma způsoby: pozitivními a negativními, zprostředkovanými mozkovou kůrou. Odezvy efektorů jsou typu chování nebo jsou zprostředkovány autonomním nervovým systémem. Tyto dva mechanismy budou prozkoumány později.

Termoregulační mechanismy

Fyziologické mechanismy

Mechanismy pro regulaci teploty se liší podle typu přijatého stimulu, tj. Zda jde o zvýšení nebo snížení teploty. Tento parametr tedy použijeme k vytvoření klasifikace mechanismů:

Regulace vysokých teplot

K dosažení regulace tělesné teploty tváří v tvář tepelným podnětům musí tělo podporovat její ztrátu. Existuje několik mechanismů:

Vasodilatace

U lidí je jednou z nejvýraznějších vlastností krevního oběhu široká škála krevních cév, které má. Krevní oběh kůží má tu vlastnost, že se mění v závislosti na okolních podmínkách a mění se z vysokého na nízký průtok krve.

Schopnost vazodilatace je zásadní v termoregulaci jednotlivců. Zvýšený průtok krve během období zvýšené teploty umožňuje tělu zvýšit přenos tepla z jádra těla na povrch kůže, aby se konečně rozptýlil.

Když se zvyšuje průtok krve, zase se zvyšuje objem kožní krve. Větší množství krve se tak přenáší z jádra těla na povrch kůže, kde dochází k přenosu tepla. Nyní chladnější krev je přenesena zpět do jádra nebo středu těla.

Potit se

Spolu s vazodilatací je produkce potu rozhodující pro termoregulaci, protože pomáhá odvádět přebytečné teplo. Ve skutečnosti je produkce a následné odpařování potu hlavním mechanismem těla pro ztrátu tepla. Pracují také při fyzické aktivitě.

Pot je tekutina produkovaná potními žlázami zvaná ekkrin, která je distribuována v těle ve značné hustotě. Odpařování potu přenáší teplo z těla do prostředí jako vodní pára.

Regulace pro nízké teploty

Na rozdíl od mechanismů uvedených v předchozí části musí tělo v případě poklesu teploty podporovat zachování a produkci tepla následujícím způsobem:

Vasokonstrikce

Tento systém se řídí opačnou logikou popsanou ve vazodilataci, takže nebudeme příliš vysvětlovat vysvětlení. Nachlazení stimuluje kontrakci kožních cév, čímž zabraňuje rozptylu tepla.

Piloerekce

Přemýšleli jste někdy nad tím, proč se objevují „husací hrbole“, když jsme před nízkými teplotami? Je to mechanismus zabraňující tepelným ztrátám nazývaným piloerekce. Protože však lidé mají na našem těle relativně málo vlasů, je považován za neúčinný a základní systém.

Když dojde ke zvýšení každého vlasu, zvýší se vrstva vzduchu, která přichází do styku s pokožkou, což snižuje proudění vzduchu. To snižuje tepelné ztráty.

Výroba tepla

Nejintuitivnějším způsobem, jak čelit nízkým teplotám, je produkce tepla. K tomu může dojít dvěma způsoby: třepáním a netřesem termogenezí.

V prvním případě tělo produkuje rychlé a nedobrovolné svalové kontrakce (proto se při chladu třese, což vede k produkci tepla). Třepání výroby je nákladné - energeticky řečeno - takže tělo selže, pokud výše uvedené systémy selžou.

Druhý mechanismus je veden tkání zvanou hnědý tuk (nebo hnědá tuková tkáň, v anglické literatuře je obvykle shrnut pod zkratkou BAT pro hnědou tukovou tkáň).

Tento systém je zodpovědný za oddělení produkce energie v metabolismu: místo vytváření ATP vede k produkci tepla. Jedná se o zvláště důležitý mechanismus u dětí a malých savců, i když novější důkazy uvádějí, že je také relevantní u dospělých.

Etologické mechanismy

Etologické mechanismy se skládají ze všech chování, která zvířata vykazují k regulaci své teploty. Jak jsme zmínili v příkladu plazů, organismy lze umístit do správného prostředí, které podporuje nebo předchází ztrátám tepla.

Na zpracování této odpovědi se podílejí různé části mozku. U lidí jsou tato chování účinná, i když nejsou jemně regulována jako fyziologická.

Poruchy termoregulace

Tělo zažívá malé a jemné změny teploty po celý den, v závislosti na některých proměnných, jako je cirkadiánní rytmus, hormonální cyklus a další fyziologické aspekty.

Jak jsme již zmínili, tělesná teplota organizuje obrovské množství fyziologických procesů a ztráta její regulace může vést k ničivým podmínkám v postiženém organismu.

Oba termální extrémy - vysoké i nízké - negativně ovlivňují organismy. Velmi vysoké teploty nad 42 ° C u lidí mají velmi výrazný účinek na proteiny, což podporuje jejich denaturaci. Také je ovlivněna syntéza DNA. Orgány a neurony jsou také poškozeny.

Podobně teploty pod 27 ° C vedou k závažné podchlazení. Změny neuromuskulární, kardiovaskulární a respirační aktivity mají fatální následky.

Pokud termoregulace nefunguje správným způsobem, je ovlivněno více orgánů. Patří sem srdce, mozek, gastrointestinální trakt, plíce, ledviny a játra.

Reference

1. Arellano, JLP, & del Pozo, SDC (2013). Příručka obecné patologie. Elsevier.
2. Argyropoulos, G., & Harper, ME (2002). Pozvaná recenze: oddělení proteinů a termoregulace. Journal of Applied Physiology, 92 (5), 2187-2198.
3. Charkoudian N. (2010). Mechanismy a modifikátory reflexní indukované kožní vazodilatace a vazokonstrikce u lidí. Journal of Applied Physiology (Bethesda, Md.: 1985), 109 (4), 1221-8.
4. Hill, RW (1979). Srovnávací fyziologie zvířat: environmentální přístup. Obrátil jsem se.
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., & Anderson, M. (2004). Fyziologie zvířat. Sinauer Associates.
6. Liedtke WB (2017). Dekonstrukce savčí termoregulace. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických, 114 (8), 1765-1767.
7. Morrison SF (2016). Centrální řízení tělesné teploty. F1000Výzkum, 5, F1000 Fakulta Rev-880.