Фізіологія терморегуляції, механізми, види та зміни

терморегуляції Це процес, який дозволяє організмам регулювати температуру свого тіла, модулюючи втрату та накопичення тепла. У тваринному світі існують різні механізми регуляції температури, як фізіологічні, так і етологічні.

Регулювання температури тіла є основною діяльністю для будь-якої живої істоти, тому що цей параметр є критичним для гомеостазу тіла і впливає на функціональність ферментів та інших білків, плинність мембран, потік іонів та інші.

У своїй простій формі мережі терморегуляції активуються за допомогою ланцюга, який поєднує входи терморецепторів, розташованих у шкірі, у внутрішніх органах, у мозку, серед інших.

Основні механізми перед цими холодними або тепловими подразниками включають вазоконстрикцію шкіри, розширення судин, вироблення тепла (термогенез) і потовиділення. Інші механізми включають поведінку, що сприяє або зменшує втрату тепла.

• 1 Основні поняття: тепло та температура
  • 1.1 Температура
  • 1.2 Тепло
  • 2.1 Ендотерм та екзотерма
  • 2.2 Пойкілотерм та гомеотерм
  • 2.3 Приклади
  • 2.4 Чергування просторової та тимчасової ендотермії та ектотермії
  • 4.1 Фізіологічні механізми
  • 4.2 Етологічні механізми

  Основні поняття: тепло та температура

  Щоб говорити про терморегуляцію у тварин, потрібно знати точне визначення термінів, які часто плутають студентів.

  Розуміння різниці між температурою та температурою необхідне розуміння терморегуляції тварин.Ми будемо використовувати неживі тіла, щоб проілюструвати різницю: пригадаємо два металеві кубики, один з яких у 10 разів більший за інший.

  Кожен із цих кубиків знаходиться в кімнаті при температурі 25°С. Якщо ми виміряємо температуру кожного блоку, обидва будуть при 25 ° C, хоча один великий, а інший маленький.

  Тепер, якщо ми виміряємо кількість тепла у кожному блоці, результат між ними буде різним. Для виконання цього завдання ми повинні перемістити блоки в кімнату з абсолютно нульовою температурою і кількісно визначити кількість тепла, що виділяється ними. У цьому випадку тепломісткість у більшому металевому кубі буде в 10 разів вищою.

  температура

  Завдяки попередньому прикладу ми можемо зробити висновок, що температура однакова для обох і не залежить кількості речовини в кожному блоці. Температура вимірюється як швидкість чи інтенсивність руху молекул.

  У біологічній літературі, коли автори згадують «температуру тіла», вони належать до температури центральних областей тіла та периферичних областей. Температура центральних областей відбиває температуру "глибоких" тканин організму - мозку, серця та печінки.

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

  тепла

  Навпаки - і повертаючись наприклад блоків - тепло відрізняється в обох інертних тілах і прямо пропорційно до кількості речовини. Це форма енергії, яка залежить від кількості атомів і молекул речовини, що розглядається.

  Типи: теплові відносини між тваринами

  У фізіології тварин існує низка термінів та категорій, що використовуються для опису теплових зв'язків між організмами.У кожної з цих груп тварин є особливі пристосування - фізіологічні, анатомічні або анатомічні - які допомагають їм підтримувати температуру свого тіла в адекватному діапазоні.

  У повсякденному житті ми називаємо ендотермічних та гомеотермічних тварин «теплокровними», а пойкілотермічні та екзотермічні тварини – «холоднокровними».

  Ендотерм та екзотерма

  Перший член ендотермія, використовується, коли тварині вдається зігрітися із метаболічним виділенням тепла. Протилежною концепцією є ectothermy, де температура тварини визначається навколишнім середовищем.

  Деякі тварини не можуть бути ендотермічними, тому що, хоча вони виробляють тепло, вони не роблять це досить швидко, щоб утримати його.

  Пойкілотерм та гомеотерм

  Інший спосіб класифікувати їх - з терморегуляції тварини. Термін пійкілотермні він використовується для позначення тварин із змінною температурою тіла. У цих випадках температура тіла висока в жарких умовах і низька в холодних умовах.

  Тварина пойкілотерм може самостійно регулювати свою температуру у вигляді поведінки. Тобто шляхом визначення місцезнаходження в зонах з високою сонячною радіацією для підвищення температури або приховування від цієї радіації для її зниження.

  Терміни пойкілотерм і екзотерму відносяться в основному до того самого явища. Тим не менш, пойкілотерм підкреслює мінливість температури тіла, а в екзотермі - важливість температури навколишнього середовища для визначення температури тіла.

  Протилежний терміну пойкілотерм – гомеотерм: терморегуляція фізіологічними засобами – і не лише завдяки застосуванню поведінки.Більшість ендотермічних тварин здатна регулювати свою температуру.

  прикладів

  риба

  Риба - чудовий приклад екзотермічних та пойкілотермічних тварин. У разі цих плавців хребетних, їх тканини не виробляють тепло через метаболічні шляхи, і, крім того, температура риби визначається температурою водойми, в якій вони плавають.

  рептилії

  Рептилії демонструють дуже помітне поведінка, що дозволяє їм регулювати (етологічно) свою температуру. Ці тварини шукають теплі області – такі як усадження на гарячому камені – щоб збільшити температуру. В іншому випадку, де вони хочуть зменшити його, вони прагнутимуть сховатися від радіації.

  Птахи та ссавці

  Ссавці та птиці є прикладами ендотермічних та гомеотермічних тварин. Вони метаболічно виробляють температуру свого тіла та регулюють її фізіологічно. Деякі комахи також демонструють цей фізіологічний патерн.

  Здатність регулювати його температуру давала цим двом лініям тварин перевагу перед їх пойкілотерміческіе аналоги, оскільки вони можуть встановлювати теплову рівновагу у своїх клітинах і органах. Це призвело до того, що процеси харчування, обміну речовин та виведення стають більш стійкими та ефективними.

  Людина, наприклад, підтримує свою температуру на рівні 37 ° C, у досить вузькому діапазоні - між 33,2 і 38,2 ° C. Підтримка цього параметра абсолютно необхідна 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 можуть чергуватись між категоріями, просторово чи тимчасово.

  Тимчасова зміна терморегуляції може бути продемонстрована ссавцями, які переживають періоди зимової сплячки. Ці тварини зазвичай гомеотермічні протягом сезонів року, коли вони не зимують, а під час зимівлі вони не можуть регулювати температуру свого тіла.

  Просторова зміна відбувається, коли тварина по-різному регулює температуру в областях тіла. Джмелі та інші комахи можуть регулювати температуру своїх грудних сегментів і не можуть регулювати решту областей. Ця умова диференціальної регуляції називається гетеротермія.

  Фізіологія терморегуляції

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

  Перша система, аферентна, відповідає за збирання інформації за допомогою шкірних рецепторів. Згодом інформація передається в терморегуляторний центр через кров через нервову систему.

  За нормальних умов органи тіла, які виділяють тепло, – це серце та печінка. Коли тіло виконує фізичну роботу (вправи), скелетний м'яз також є тепловиділяючою структурою.

  Гіпоталамус є терморегуляторним центром, і завдання поділяються на втрату тепла та приріст. Функціональна зона, що забезпечує підтримку тепла, розташована в задній зоні гіпоталамуса, у той час як втрата опосередковується передньою областю. Цей орган працює як термостат.

  Управління системою відбувається подвійне: позитивне та негативне, опосередковане корою головного мозку.Ефективні відповіді належать до поведінкового типу або опосередковані вегетативною нервовою системою. Ці два механізми будуть вивчені пізніше.

  Механізми терморегуляції

  Фізіологічні механізми

  Механізми регулювання температури варіюються в залежності від типу одержуваного стимулу, тобто від того, йдеться про підвищення або зниження температури. Тому ми будемо використовувати цей параметр для встановлення класифікації механізмів:

  Регулювання для високих температур

  Щоб досягти регуляції температури тіла від теплових подразників, організм повинен сприяти її втраті. Є кілька механізмів:

  розширення кровоносних судин

  Люди однією з найяскравіших характеристик кровообігу є широкий спектр кровоносних судин. Кровообіг у шкірі має властивість сильно змінюватись в залежності від умов навколишнього середовища і змінюватися від сильних до слабких кровотоків.

  Здатність вазодилатації має вирішальне значення у терморегуляції людей. Високий кровотік у періоди підвищеної температури дозволяє організму збільшити передачу тепла від ядра тіла до поверхні шкіри, щоб остаточно розвіятись.

  Коли кровотік зростає, обсяг крові у свою чергу зростає. Таким чином, більша кількість крові передається від ядра тіла до поверхні шкіри, де відбувається теплообмін. Кров, тепер холодніша, повертається в ядро ​​або центр тіла.

  піт

  Поряд із вазодилатацією, утворення поту має вирішальне значення для терморегуляції, оскільки допомагає розсіюванню надлишкового тепла. Насправді виробництво та подальше випаровування поту є основними механізмами організму, щоб втрачати тепло. Вони також діють під час фізичної активності.

  Пот є рідиною, що виробляється потовими залозами, званими еккринними, і розподіляється по всьому тілу зі значною щільністю. Випаровування поту дозволяє передавати тепло тіла в навколишнє середовище у вигляді водяної пари.

  Регулювання для низьких температур

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

  вазоконстрикція

  Ця система слідує протилежній логіці, описаній у вазодилатації, тому ми не будемо докладно зупинятися на поясненнях. Холод стимулює скорочення шкірних судин, тим самим уникаючи розсіювання тепла.

  пілоерекція

  Чи замислювалися ви, чому з'являються мурашки по шкірі, коли ми стикаємося з низькими температурами? Це механізм запобігання втраті тепла, званий пілоерекцією. Однак, оскільки у людей відносно мало волосся у нашому тілі, це вважається погано рудиментарною системою.

  Коли відбувається піднесення кожної волосинки, шар повітря, який вступає в контакт зі шкірою, збільшується, що зменшує конвекцію повітря. Це зменшує втрату тепла.

  Виробництво тепла

  Найбільш інтуїтивний спосіб протидії низьким температурам – це виробництво тепла. Це може відбуватися двома способами: тремтячим і не тремтячим термогенезом.

  У першому випадку організм виробляє швидкі та мимовільні м'язові скорочення (тому ви тремтіте, коли вам холодно), які призводять до вироблення тепла. Тремтяче виробництво коштує дорого, якщо говорити енергетично, тому організм вдасться до нього, якщо вищеперелічені системи вийдуть з ладу.

  Другим механізмом керує тканина, яка називається коричневим жиром (або коричнева жирова тканина, в англійській літературі вона зазвичай узагальнюється під абревіатурою BAT: коричнева жирова тканина).

  Ця система відповідає за розподіл виробництва енергії в процесі обміну речовин: замість утворення АТФ вона призводить до вироблення тепла. Це особливо важливий механізм у дітей і дрібних ссавців, хоча останні дані свідчать про те, що він також актуальний у дорослих.

  Етологічні механізми

  Етологічні механізми складаються з усіх видів поведінки, які демонструються тваринами для регулювання їх температури. Як ми згадували у прикладі з рептиліями, організми можуть бути поміщені у сприятливе середовище, щоб сприяти чи уникнути втрати тепла.

  Різні частини мозку беруть участь у обробці цієї відповіді. Люди цих форм поведінки ефективні, хоча вони не регулюються оскільки фізіологічні.

  Зміни терморегуляції

  Протягом дня організм зазнає невеликих та делікатних змін температури залежно від деяких змінних, таких як циркадний ритм, гормональний цикл та інші фізіологічні аспекти.

  Як вже згадувалося, температура тіла управляє величезним спектром фізіологічних процесів, і втрата регуляції може призвести до руйнівних умов у ураженому організмі.

  Обидві температурні крайності - як високі, і низькі - негативно впливають на організми. Дуже високі температури, вищі за 42°С у людей, сильно впливають на білки, сприяючи їх денатурації. З іншого боку, порушується синтез ДНК. Органи та нейрони також пошкоджені.

  Аналогічно температура нижче 27 ° С призводить до сильної гіпотермії.Зміни в нервово-м'язовій, серцево-судинній та дихальній активності мають летальні наслідки.

  Декілька органів уражаються, коли терморегуляція не працює належним чином. Серед них серце, мозок, шлунково-кишковий тракт, легені, нирки та печінка.

  посилання

  1. Ареллано, Дж. Л. П., & дель Позо, С. Д. С. (2013). Посібник із загальної патології. Elsevier.
  2. Argyropoulos, G. & Harper, M.E. (2002). Запрошений огляд: розчеплення білків та терморегуляція. Журнал прикладної фізіології, 92(5), 2187-2198.
  3. Чаркудян Н. (2010). Механізми та модифікатори рефлекторно індукованої вазодилатації та вазоконстрикції у людини. Журнал прикладної фізіології (Bethesda, Md.: 1985), 109(4), 1221-8.
  4. Хілл Р. У. (1979). Порівняння фізіології тварин: екологічний підхід. Я змінив.
  5. Hill, R.W., Wyse, G.A., Anderson, M. & Anderson, M. (2004). Фізіологія тварин. Sinauer Associates.
  6. Лієдтке В. Б. (2017). Деконструкція терморегуляції ссавців. Слухання 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

  Як регулюється температура тіла

  Температура тіла регулюється частиною мозку, що називається гіпоталамусом. Якщо зовнішня температура підвищується або знижується, організм використовує різні механізми, щоб забезпечити підтримку комфортної температури.

  Ендотермічні (теплокровні) тварини – птахи або ссавці – підтримують постійну температуру тіла, використовуючи внутрішні механізми регуляції. Навпаки, ектотермічні (холоднокровні) тварини, наприклад, риби та рептилії, не мають таких механізмів, і тому температура їх тіла значною мірою залежить від температури навколишнього середовища.

  Регуляція температури тіла

  Люди, подібно до всіх теплокровних тварин, виробляють тепло в результаті обміну речовин. Всі тканини тіла утворюють тепло, але найбільше тепла виробляють найактивніші органи, такі як печінка, серце, мозок і ендокринні залози. М'язи також продукують тепло. Близько 25% тепла тіла виробляється м'язами у стані спокою. М'язи, що працюють, можуть виробляти в 40 разів більше тепла, ніж все інше тіло, саме тому тіло сильно зігрівається при фізичних вправах.

  Гомеостаз

  Люди мають відносно постійну температуру тіла, тобто вона залежить від умов довкілля. Ця властивість підтримувати сталість внутрішнього середовища організму, незважаючи на зміни довкілля, відома як гомеостаз.

  Однією з переваг постійної температури тіла є значне зниження небезпеки перегрівання. Випадки крайнього перегрівання можуть призвести до судом та смерті, оскільки пригнічується передача нервових імпульсів та порушується активність життєво важливих протеїнів.

  Механізми підвищення температури

  Нормальна температура тіла людини варіює від 35,6 до 37,8°С. За підтримку її постійному рівні відповідає ділянку мозку під назвою гипоталамус. Ця структура функціонує на основі механізму зворотного зв'язку, подібного до того, що використовується в термостаті центральної системи опалення в наших будинках.

  Коли температура довкілля знижується і тіло починає охолоджуватися, рецептори шкіри посилають цю інформацію до гіпоталамусу, і людина починає відчувати холод. Ця інформація потім передається до інших частин мозку, які запускають відповідні фізіологічні реакції, щоб підвищити температуру тіла та зменшити втрати тепла.

  Деякі реакції на відчуття холоду відбуваються на свідомому рівні, наприклад, активні рухи, використання теплого одягу або переміщення у тепліше місце. Інші реакції виникають мимоволі. Людина починає тремтіти, коли м'язи тіла скорочуються і розслабляються дуже швидко, виробляючи при цьому в чотири-п'ять разів більше тепла, ніж у стані спокою. У той же час підвищується виробіток адреналіну, який прискорює швидкість обмінних процесів. У цьому вивільняється енергія, запасена у вигляді глюкози. Внаслідок усіх цих процесів тіло зігрівається.

  Регуляція втрати тепла

  Щоб зменшити втрати тепла з поверхні тіла, капіляри, що лежать біля поверхні шкіри, скорочуються, що веде до зниження кровотоку та збліднення шкіри. Крім того, скорочуються і тонкі м'язові волокна волосяних фолікулів, при цьому волоски випрямляються та піднімаються над шкірою. У більшості ссавців це механізм для утримання шару теплого повітря навколо шкіри, але оскільки волосся на шкірі людини тонке та коротке, особливого ефекту збереження тепла цей механізм не має, викликаючи лише ефект «гусячої шкіри».

  Механізми терморегуляції

  Наша шкіра містить тисячі рецепторів, що сприймають теплову інформацію з усього тіла. Ці датчики розпізнають зміни у навколишньому середовищі і попереджають мозок, який, своєю чергою, викликає тремтіння чи потовиділення, щоб підтримати гомеостаз.

  Розширення кровоносних судин (вазодилатація)

  Розширення кровоносних судин – ключовий механізм збереження та віддачі тепла. При високих температурах кровоносні судини розширюються, збільшуючи приплив крові до поверхні шкіри та підвищуючи тепловіддачу.Ступінь розширення кровоносних судин котролюється вазомоторними (судинно-руховими) нервами, які, у свою чергу, знаходяться під управлінням мозку.

  Звуження кровоносних судин (вазоконстрикція)

  При низьких температурах артеріоли (дрібні гілки артерій), що переходять у капіляри поверхневих шарів шкіри, можуть скорочуватися. Це знижує приплив крові до шкіри та зменшує втрату тепла.

  Механізми охолодження

  В нормальних умовах температура тіла людини вища за температуру повітря, тому організм віддає тепло в навколишнє середовище шляхом теплового випромінювання при проходженні потоків повітря над поверхнею шкіри. Якщо тіло починає перегріватися при дуже високій температурі повітря або під час лихоманки, теплові рецептори направляють нервові імпульси в гіпоталамус, і мозок запускає реакції для охолодження організму.

  Поверхневі капіляри шкіри розширюються таким чином, що потік крові збільшується, і через шкіру тіло віддає у довкілля більше тепла. Потовиділення також підвищує тепловіддачу: рідина, що виділяється потовою залозою, випаровується, охолоджуючи шкіру.

  У сухому повітрі механізм потовиділення працює дуже ефективно: людина може переносити температуру аж до 65 ° С протягом кількох годин за таких умов. Однак при високій вологості піт погано випаровується, і тіло перегрівається швидше.

  Лихоманка та гіпотермія

  Гарячка – це підвищення температури тіла, яке може виникати при інфекції. Хімічні речовини під назвою цитокіни викидаються білими клітинами крові та клітинами пошкоджених тканин. У відповідь на дію цитокінів гіпоталамус виділяє простагландини (гормони, що розширюють кровоносні судини), які налаштовують механізм терморегуляції гіпоталамуса на більш високу температуру тіла.В результаті запускаються теплоутворюючі реакції, і хоча температура тіла може підніматися до 40°С, пацієнт відчуває озноб.

  Температура тіла залишається високою, доки організм не звільниться від інфекції. Тільки тоді відновлюється нормальна терморегуляція та включаються механізми охолодження.

  Пацієнт потіє та червоніє внаслідок розширення кровоносних судин шкіри. Дослідження показали, що лихоманка одночасно стимулює імунну систему тіла та інгібує зростання мікроорганізмів.

  Гіпотермією вважається стан, у якому температура тіла опускається нижче 35°С. Це можливо, якщо людина довгий час перебуває в умовах низької температури, що робить організм нездатним підтримувати нормальну температуру. Найбільш сприйнятливі до холоду новонароджені діти, люди похилого віку і ті, хто ослаблений будь-якими захворюваннями.

  Гіпотермія зазвичай є результатом неадекватного харчування, носіння одягу, що не відповідає сезону, та недостатнього обігріву в умовах холоду.