HŐSZABÁLYOZÁS: ÉLETTAN, MECHANIZMUSOK, TÍPUSOK ÉS VÁLTOZÁSOK - BIOLÓGIA - 2025

A hőszabályozás az a folyamat, amely lehetővé teszi az organizmusok számára a testhőmérséklet szabályozását, modulálva a hőveszteséget és az erősítést. Az állatvilágban a hőmérséklet szabályozásának különféle mechanizmusai vannak, mind fiziológiai, mind etológiai szempontból.

A testhőmérséklet szabályozása minden élő lény alapvető tevékenysége, mivel a paraméter kritikus a test homeosztázisához, és többek között befolyásolja az enzimek és más fehérjék működését, a membrán folyékonyságát, az ionáramot..

Az emlősök homeoterm és endotermikusak. Forrás: Alan Wilson

A legegyszerűbb formában a hőszabályozó hálózatokat egy olyan áramkör segítségével aktiválják, amely többek között a bőrben, a zsigerekben és az agyban található hőreceptor bemeneteit integrálja.

Ezeknek a forró vagy hideg ingereknek a fő mechanizmusai a bőr ér-összehúzódása, értágítás, hőtermelés (termogenezis) és izzadás. Más mechanizmusok magukban foglalják a hőveszteség előmozdítását vagy csökkentését szolgáló magatartást.

Alapok: hő és hőmérséklet

Az állatok hőszabályozásáról beszélni kell annak a kifejezésnek a pontos meghatározásáról, amely gyakran zavarja a hallgatókat.

Az állatok hőszabályozásának megértéséhez elengedhetetlen a hő és a hőmérséklet közötti különbség megértése. Életlen testekkel fogjuk bemutatni a különbséget: Gondoljunk egy két kocka fémre, az egyik tízszer nagyobb, mint a másik.

Ezek a kockák mindegyikében 25 ° C hőmérsékleten lévő helyiség található. Ha megmérjük az egyes blokkok hőmérsékletét, akkor mindkettő 25 ° C-on lesz, bár az egyik nagy, a másik kicsi.

Ha megmérjük az egyes blokkok hőmennyiségét, akkor a kettő közötti eredmény eltérő lesz. Ennek a feladatnak a végrehajtásához a blokkokat egy olyan helyiségbe kell áthelyezni, ahol abszolút nulla hőmérsékletű, és számszerűsíteni kell az általuk kibocsátott hőmennyiséget. Ebben az esetben a hőtartalom a legnagyobb fémkockában tízszer magasabb lesz.

Hőfok

Az előző példának köszönhetően azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a hőmérséklet mindkettőnél azonos, és független az egyes anyagtömeg-mennyiségektől. A hőmérsékletet a molekulák mozgásának sebessége vagy intenzitása alatt mérjük.

A biológiai szakirodalomban, amikor a szerzők megemlítik a „testhőmérsékletet”, a test központi és perifériás részeinek hőmérsékletére utalnak. A magrégiók hőmérséklete tükrözi a test "mély" szöveteinek - az agy, a szív és a máj - hőmérsékletét.

A perifériás régiók hőmérsékletét a vér bőrbe jutása befolyásolja, és ezt a kéz és a láb bőrén mérik.

Forró

Ezzel szemben - és visszatérve a blokkok példájára - a hő mind inert testekben különbözik, és közvetlenül arányos az anyag mennyiségével. Ez egy energiaforma, és a kérdéses anyag atomjainak és molekuláinak számától függ.

Típusok: az állatok közötti hőviszonyok

Az állati élettanban számos kifejezést és kategóriát használnak az organizmusok közötti hőviszonyok leírására. Ezen állatcsoportok mindegyikének sajátos adaptációi vannak - fiziológiai, anatómiai vagy anatómiai -, amelyek segítik a testhőmérséklet megfelelő tartását.

A mindennapi életben endoterm és homeoterm állatokat "melegvérűnek", poikilotermikus és ektotermikus állatokat "hidegvérűnek" hívunk.

Endoterm és ectoterm

Az első kifejezés az endotermia, amelyet akkor használnak, amikor az állatnak melegedni képes a hő metabolikus termelésének közvetítésével. Az ellenkező koncepció az ektotermia, ahol az állat hőmérsékletét a környező környezet diktálja.

Egyes állatok nem képesek endotermikus állapotba kerülni, mert bár hőt termelnek, nem csinálják elég gyorsan ahhoz, hogy megtartsa.

Poikilotermikus és homeotermikus

Az osztályozás másik módja az állat hőszabályozása. A poikiloterm kifejezés változó testhőmérsékletű állatokra vonatkozik. Ezekben az esetekben a testhőmérséklet magas meleg környezetben és alacsony a hideg környezetben.

A poikilotermikus állatok magatartásuk révén önszabályozhatják hőmérsékletet. Vagyis úgy, hogy olyan helyeken helyezkedik el, ahol magas a napsugárzás, hogy növelje a hőmérsékletet, vagy elrejtse az említett sugárzástól annak csökkentése érdekében.

A poikilotherm és az ectotherm kifejezések alapvetően ugyanazon jelenségre utalnak. A poikilotherm azonban hangsúlyozza a testhőmérséklet változékonyságát, míg az ectotherm a környezeti hőmérséklet fontosságát jelenti a testhőmérséklet meghatározásában.

A poikilotherm ellentétes kifejezése a homeotermikus: a termoreguláció fiziológiai eszközökkel - és nem csak a viselkedés megjelenésének köszönhetően. A legtöbb endoterm állat képes a hőmérsékletet szabályozni.

Példák

Halak

A halak az ektotermikus és a poikilotermikus állatok tökéletes példái. Ezeknek az úszó gerinces állatoknak a szövete nem termel hőt az anyagcserén keresztül, továbbá a halak hőmérsékletét annak a víztestnek a hőmérséklete határozza meg, ahol úsznak.

hüllők

A hüllők nagyon határozott viselkedést mutatnak, amely lehetővé teszi számukra a hőmérséklet (etológiai szempontból) szabályozását. Ezek az állatok meleg területeket keresnek - például egy forró kövön sügérrel - a hőmérséklet növelése érdekében. Egyébként, ahol csökkenteni akarják, megpróbálnak elrejteni a sugárzástól.

Madarak és emlősök

Az emlősök és a madarak példái az endoterm és a homeoterm állatoknak. Metabolikusan előállítják a testhőmérsékletet, és fiziológiásan szabályozzák. Egyes rovarok ezt a fiziológiai mintát is mutatják.

A hőmérsékletük szabályozásának képessége előnyt nyújtott e két állatfajnak a poikilotermikus társaikhoz képest, mivel sejtekben és szervekben termikus egyensúlyt teremthetnek. Ez ahhoz vezetett, hogy a táplálkozás, az anyagcsere és a kiválasztás folyamata robusztusabb és hatékonyabb.

Az emberek például 37 ° C hőmérsékleten tartják hőmérsékleteiket, meglehetősen szűk tartományban - 33,2 és 38,2 ° C között. E paraméter fenntartása teljesen kritikus a faj túlélése szempontjából, és egy sor élettani folyamatot közvetít a testben.

Az endotermia és az ektotermia térbeli és időbeli váltakozása

A négy kategória közötti különbségtétel gyakran zavaros, amikor olyan állatokat vizsgálunk, amelyek képesek váltakozni a kategóriák között, akár térbeli, akár időbeli szempontból.

A hőszabályozás időbeli változásait példázhatjuk az olyan emlősökre, akik hibernációs időszakokban élnek. Ezek az állatok általában homeotermikusak az évszakokban, amikor nem hibernálnak, és hibernáció alatt nem képesek szabályozni testhőmérsékleteiket.

A térbeli eltérések akkor fordulnak elő, amikor az állat eltérően szabályozza a hőmérsékletet a test régióiban. A poszméhek és más rovarok szabályozzák mellkasi szegmenseik hőmérsékletét, és nem képesek a többi régió szabályozására. Ezt a differenciálszabályozási feltételt heterotermiának nevezzük.

A hőszabályozás élettana

Mint minden rendszer, a testhőmérséklet fiziológiai szabályozása megköveteli aferens rendszer, kontroll központ és efferent rendszer jelenlétét.

Az első rendszer, az afferent, felelős az információ rögzítéséért a bőrreceptorokon keresztül. Ezt követően az információ továbbjut a hőszabályozó központba a vér idegi útján keresztül.

Normál körülmények között a test hőt generáló szervei a szív és a máj. Amikor a test fizikai munkát végez (testmozgás), a vázizom szintén hőtermelő struktúra.

A hipotalamusz a hőszabályozó központ, és a feladatokat hőveszteségre és hőnyereségre osztják. A hő fenntartásának közvetítésére szolgáló funkcionális zóna a hypothalamus hátsó zónájában található, míg a veszteséget az elülső régió közvetíti. Ez a szerv úgy működik, mint egy termosztát.

A rendszer irányítása kétféle módon zajlik: pozitív és negatív, az agykéreg közvetíti. Az effektorválaszok viselkedésbeli vagy az autonóm idegrendszer által közvetített reakciók. Ezt a két mechanizmust később tanulmányozzuk.

Hőszabályozó mechanizmusok

Élettani mechanizmusok

A hőmérséklet szabályozásának mechanizmusai a kapott stimulus típusától függően változnak, azaz attól függ, hogy növekszik-e vagy csökken-e a hőmérséklet. Tehát ezt a paramétert használjuk a mechanizmusok osztályozásának meghatározására:

Szabályozás a magas hőmérsékleten

A testhőmérséklet szabályozásának elérése érdekében, a hőstimulumokkal szemben, a testnek elő kell segítenie veszteségét. Több mechanizmus létezik:

Az értágulat

Az emberekben a bőrkeringés egyik legszembetűnő tulajdonsága az érrendszer széles skálája. A bőrön keresztüli vérkeringés tulajdonsága, hogy a környezeti körülményektől függően óriási mértékben változik, és a magas és az alacsony véráramlást változtatja.

Az értágítás képessége kulcsfontosságú az egyének termoregulációjában. A megnövekedett véráramlás a megemelt hőmérsékleti periódusokban lehetővé teszi a test számára, hogy fokozza a hő átvitelét a test magjából a bőr felületére, hogy végül eloszlasson.

Ha növekszik a véráramlás, a bőr vérmennyisége viszont növekszik. Így nagyobb mennyiségű vér kerül a test magjából a bőr felületére, ahol hőátadás történik. A most hidegebb vér visszakerül a test magjába vagy középpontjába.

Izzad

Az értágítás mellett az izzadság előállítása kulcsfontosságú a hőszabályozás szempontjából, mivel segít eloszlatni a felesleges hőt. Valójában az izzadság előállítása és az azt követő párolgás képezi a test fő hőveszteség-mechanizmusát. A testmozgás során is dolgoznak.

Az izzadság az eccrin nevű verejtékmirigyek által termelt folyadék, amely jelentős sűrűséggel oszlik el a testben.

Szabályozás alacsony hőmérsékleten

Az előző szakaszban említett mechanizmusokkal ellentétben, hőmérséklet-csökkenési helyzetekben a testnek a következő módon kell elősegítenie a hőmegőrzést és -termelést:

vasoconstrictio

Ez a rendszer az értágításban ismertetett ellentétes logikát követi, tehát a magyarázatot nem fogjuk részletesebben kidolgozni. A hideg serkenti a bőr érének összehúzódását, elkerülve ezzel a hő elvezetését.

piloerectio

Gondolkozott már azon azon, hogy miért jelennek meg „liba-dudorok”, amikor alacsony hőmérséklet előtt állunk? Ez a hőveszteség megelőzésének mechanizmusa, az úgynevezett piloerection. Mivel azonban az embereknek viszonylag kevés a haja a testünkön, ez nem hatékony és kezdetleges rendszer.

Amikor az egyes hajszintek megemelkednek, megnő a bőrrel érintkező levegőréteg, ami csökkenti a levegő konvekcióját. Ez csökkenti a hőveszteséget.

Hőtermelés

Az alacsony hőmérsékletek ellensúlyozásának leg intuitívabb módja a hőtermelés. Ez kétféle módon fordulhat elő: remegő és nem remegő termogenezis útján.

Az első esetben a test gyors és akaratlan izom-összehúzódásokat (ezért reszket, amikor megfázodsz) okoz hőtermelést. A remegés előállítása drága - energetikai szempontból - drága, így a test visszatér rá, ha a fent említett rendszerek meghibásodnak.

A második mechanizmust egy barna zsírnak nevezett szövet vezet (vagy barna zsírszövet, az angol irodalomban általában a barna zsírszövetre vonatkozó BAT rövidítés alatt foglalják össze).

Ez a rendszer felelős az energiatermelés szétválasztásáért az anyagcserében: az ATP képzése helyett hőtermeléshez vezet. Ez különösen fontos mechanizmus a gyermekek és a kis emlősök esetében, bár a legfrissebb bizonyítékok rámutattak, hogy a felnőtteknél is releváns.

Etológiai mechanizmusok

Az etológiai mechanizmusok minden olyan viselkedésből állnak, amelyet az állatok mutatnak hőmérsékleteik szabályozására. Amint a hüllők példáján megemlítettük, az organizmusokat a megfelelő környezetbe lehet helyezni, hogy elősegítsék vagy megakadályozzák a hőveszteséget.

Az agy különböző részei vesznek részt a válasz feldolgozásában. Az emberekben ez a viselkedés hatékony, bár nem szabályozzák finoman, mint a fiziológiai.

Hőszabályozási rendellenességek

A test a nap folyamán kicsi és finom hőmérsékleti változásokat tapasztal, bizonyos változóktól függően, például a cirkadián ritmustól, a hormonális ciklustól, más élettani szempontok mellett.

Mint már említettük, a testhőmérséklet a fiziológiás folyamatok hatalmas tartományát szervezi meg, és a szabályozás elvesztése pusztító körülményekhez vezethet az érintett szervezetben.

Mindkét hőhatás - mind a magas, mind az alacsony - negatívan befolyásolja az organizmusokat. A nagyon magas hőmérsékletek, 42 ​​° C felett az emberekben, rendkívül erőteljes hatással vannak a fehérjékre, elősegítve azok denaturálódását. Ezenkívül a DNS szintézisét is befolyásolja. A szervek és az idegsejtek is károsodnak.

Hasonlóképpen, a 27 ° C alatti hőmérsékletek súlyos hipotermiához vezetnek. A neuromuszkuláris, kardiovaszkuláris és légzőszervi aktivitás változásai halálos következményekkel járnak.

Több szerv is érintett, ha a hőszabályozás nem működik megfelelően. Ide tartoznak a szív, az agy, a gyomor-bél traktus, a tüdő, a vesék és a máj.

Irodalom

1. Arellano, JLP és del Pozo, SDC (2013). Általános patológia kézikönyve. Elsevier.
2. Argyropoulos, G. és Harper, ME (2002). Meghívott vélemény: fehérjék leválasztása és hőszabályozás. Journal of Applied Physiology, 92 (5), 2187-2198.
3. Charkoudian N. (2010). A reflex által kiváltott bőr-ér értágítás és érmeghúzás mechanizmusai és módosítói emberben. Journal of alkalmazott fiziológia (Bethesda, Md.: 1985), 109 (4), 1221-8.
4. Hill, RW (1979). Összehasonlító állati élettan: környezetvédelmi megközelítés. Megfordítottam.
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., és Anderson, M. (2004). Állatok fiziológiája. Sinauer Associates.
6. Liedtke WB (2017). Az emlősök hőszabályozásának dekonstruálása. Az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratai, 114 (8), 1765-1767.
7. Morrison SF (2016). A testhőmérséklet központi szabályozása. F1000Research, 5, F1000 Kar Rev-880.