التنظيم الحراري: فسيولوجيا ، وآليات ، وأنواع والتعديلات

التنظيم الحراري هو العملية التي تسمح للكائنات الحية بتنظيم درجة حرارة أجسامها ، وتعديل فقدان واكتساب الحرارة. في المملكة الحيوانية ، توجد آليات مختلفة لتنظيم درجة الحرارة ، الفسيولوجية والأخلاقية على حد سواء.

يُعد تنظيم درجة حرارة الجسم نشاطًا أساسيًا لأي كائن حي ، لأن المعلمة مهمة للغاية في توازن الجسم وتؤثر على وظائف الإنزيمات والبروتينات الأخرى ، وسيولة الغشاء ، وتدفق الأيونات ، وغيرها. .

في أبسط أشكاله ، يتم تنشيط شبكات التنظيم الحراري عن طريق دائرة تدمج مدخلات مستقبلات الحرارة الموجودة في الجلد ، في الأحشاء ، في الدماغ ، وغيرها.

تشمل الآليات الرئيسية في مواجهة هذه المحفزات الباردة أو الحرارية تضيق الأوعية الجلدية وتوسع الأوعية وإنتاج الحرارة (التوليد الحراري) والتعرق. آليات أخرى تشمل السلوكيات لتعزيز أو تقليل فقدان الحرارة.

المفاهيم الأساسية: الحرارة ودرجة الحرارة

للحديث عن التنظيم الحراري في الحيوانات ، من الضروري معرفة التعريف الدقيق للمصطلحات التي غالباً ما تكون مربكة بين الطلاب.

فهم الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة ضروري لفهم التنظيم الحراري للحيوانات. سوف نستخدم أجسامًا غير حية لتوضيح الفرق: فكر في مكعبين معدنيين ، أحدهما أكبر بعشر مرات من الآخر.

كل من هذه المكعبات في غرفة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. إذا قمنا بقياس درجة حرارة كل كتلة ، فستكون كلتاهما عند 25 درجة مئوية ، على الرغم من أن واحدة كبيرة والأخرى صغيرة.

الآن ، إذا قمنا بقياس كمية الحرارة في كل كتلة ، فإن النتيجة بين الاثنين ستكون مختلفة. لتنفيذ هذه المهمة ، يجب علينا نقل الكتل إلى غرفة ذات درجة حرارة الصفر المطلقة وتحديد كمية الحرارة التي تسببها. في هذه الحالة ، سيكون المحتوى الحراري أعلى 10 مرات في المكعب المعدني الأكبر.

درجة الحرارة

بفضل المثال السابق ، يمكننا أن نستنتج أن درجة الحرارة هي نفسها لكلا ومستقلة عن كمية المادة لكل كتلة. يتم قياس درجة الحرارة على أنها سرعة أو شدة حركة الجزيئات.

في الأدبيات البيولوجية ، عندما يذكر المؤلفون "درجة حرارة الجسم" ، فإنهم يشيرون إلى درجة حرارة المناطق الوسطى من الجسم وإلى المناطق المحيطية. تعكس درجة حرارة المناطق المركزية درجة حرارة الأنسجة "العميقة" للجسم - المخ والقلب والكبد.

من ناحية أخرى ، تتأثر درجة حرارة المناطق الطرفية بنقل الدم إلى الجلد ويتم قياسه في جلد اليدين والقدمين.

حرارة

في المقابل - والعودة إلى مثال الكتل - تختلف الحرارة في الأجسام الخاملة وتتناسب بشكل مباشر مع مقدار المادة. إنه شكل من أشكال الطاقة ويعتمد على عدد ذرات وجزيئات المادة المعنية.

الأنواع: العلاقات الحرارية بين الحيوانات

في فسيولوجيا الحيوان ، هناك سلسلة من المصطلحات والفئات المستخدمة لوصف العلاقات الحرارية بين الكائنات الحية. كل مجموعة من هذه المجموعات الحيوانية لديها تكيفات خاصة - فسيولوجية أو تشريحية أو تشريحية - تساعدهم في الحفاظ على درجة حرارة الجسم في نطاق مناسب.

في الحياة اليومية ، نطلق على الحيوانات الماص للحرارة والحرارة "ذوات الدم الحار" ، والحيوانات الموصوفة بالحرارة والحيوية على أنها "بدم بارد".

الثرثرة والحرارة

المصطلح الأول هو endothermy ، وتستخدم عندما يتمكن الحيوان من تسخين نفسه من خلال إنتاج التمثيل الغذائي للحرارة. المفهوم المعاكس هو الإكثروميا ، حيث يتم فرض درجة حرارة الحيوان بواسطة البيئة المحيطة.

بعض الحيوانات غير قادرة على تحمل الحرارة ، لأنه على الرغم من أنها تنتج الحرارة إلا أنها لا تفعل ذلك بسرعة كافية للاحتفاظ بها.

Poikilotherm و homeotherm

طريقة أخرى لتصنيفها هي وفقًا للتنظيم الحراري للحيوان. يستخدم مصطلح poikilotherm للإشارة إلى الحيوانات ذات درجات حرارة الجسم المتغيرة. في هذه الحالات ، تكون درجة حرارة الجسم عالية في البيئات الحارة وهي منخفضة في البيئات الباردة.

يمكن للحيوان poikilotherm أن ينظم درجة حرارته عن طريق السلوك. وهذا هو ، من خلال تحديد موقع في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي لزيادة درجة الحرارة أو الاختباء من الإشعاع المذكور لتقليله.

تشير مصطلحات poikilotherm و ectotherm إلى نفس الظاهرة أساسًا. ومع ذلك ، فإن poikilotherm يؤكد على تقلب درجة حرارة الجسم ، في حين يشير ectotherm إلى أهمية درجة الحرارة البيئية لتحديد درجة حرارة الجسم.

المصطلح المعاكس لـ poikilotherm هو المعالجة المنزلية: التنظيم الحراري بالوسائل الفسيولوجية - وليس فقط بفضل نشر السلوكيات. معظم الحيوانات الماص للحرارة قادرة على تنظيم درجة حرارتها.

أمثلة

سمك

الأسماك هي مثال مثالي للحيوانات ectothermic و poikilothermic. في حالة سباحي الفقاريات هؤلاء ، لا تنتج أنسجتهم الحرارة من خلال مسارات التمثيل الغذائي وأيضًا ، يتم تحديد درجة حرارة الأسماك حسب درجة حرارة جسم الماء الذي يسبحون فيه.

الزواحف

تظهر الزواحف سلوكيات ملحوظة للغاية تسمح لها بتنظيم درجة حرارتها (أخلاقياً). تبحث هذه الحيوانات عن المناطق الدافئة - مثل الجثم على حجر ساخن - لزيادة درجة الحرارة. خلاف ذلك ، حيث يرغبون في تقليله ، سوف يسعون للاختباء من الإشعاع.

الطيور والثدييات

تعد الثدييات والطيور أمثلة على الحيوانات الماصة للحرارة والحرارة. هذه الأيض تنتج درجة حرارة الجسم وتنظم الفسيولوجية. بعض الحشرات تظهر أيضًا هذا النمط الفسيولوجي.

أعطت القدرة على تنظيم درجة حرارتها هذين السيلتين من الحيوانات ميزة على نظرائهم من poikilothermic ، حيث يمكنهم إقامة توازن حراري في خلاياهم وأعضائهم. وأدى ذلك إلى أن تصبح عمليات التغذية والتمثيل الغذائي والإفراز أكثر قوة وفعالية.

الكائن البشري ، على سبيل المثال ، يحافظ على درجة حرارته عند 37 درجة مئوية ، في نطاق ضيق إلى حد ما - بين 33.2 و 38.2 درجة مئوية. الحفاظ على هذه المعلمة أمر بالغ الأهمية لبقاء الأنواع ويتوسط في سلسلة من العمليات الفسيولوجية في الجسم.

تناوب الحرارة الداخلية المكانية والزمانية وإلتهاب الدم

غالبًا ما يصبح التمييز بين هذه الفئات الأربع مربكًا عندما ندرس حالات الحيوانات القادرة على التناوب بين الفئات ، إما مكانيًا أو مؤقتًا.

يمكن التعبير عن التباين الزمني للتنظيم الحراري بواسطة الثدييات التي تعاني من فترات السبات. عادة ما تكون هذه الحيوانات متجانسة في مواسم السنة عندما لا تكون سبتًا ، وخلال فترة السبات لا يمكنها ضبط درجة حرارة جسمها.

يحدث التباين المكاني عندما ينظم الحيوان درجة الحرارة في مناطق الجسم بشكل مختلف. يمكن أن النواحل وغيرها من الحشرات تنظيم درجة حرارة قطاعات الصدر والقدرة على تنظيم بقية المناطق. هذا الشرط للتنظيم التفاضلي يسمى heterothermy.

فسيولوجيا التنظيم الحراري

مثل أي نظام ، يتطلب التنظيم الفسيولوجي لدرجة حرارة الجسم وجود نظام وارد ومركز تحكم ونظام فعال.

يتولى النظام الأول ، النظام الثابت ، التقاط المعلومات عن طريق المستقبلات الجلدية. بعد ذلك ، يتم نقل المعلومات إلى مركز تنظيم الحرارة عبر العصبية عن طريق الدم.

في ظل الظروف العادية ، فإن أعضاء الجسم التي تولد الحرارة هي القلب والكبد. عندما يقوم الجسم بعمل بدني (تمرين) ، تكون العضلات الهيكلية أيضًا عبارة عن بنية مولدة للحرارة.

ما تحت المهاد هو مركز تنظيم الحرارة والمهام مقسمة إلى فقدان الحرارة وكسبها. تقع المنطقة الوظيفية للتوسط في الحفاظ على الحرارة في المنطقة الخلفية من المهاد ، بينما تتوسط المنطقة الأمامية في الفقدان. هذا الجهاز يعمل مثل الحرارة.

يحدث التحكم في النظام مضاعفة: إيجابية وسلبية ، بوساطة قشرة الدماغ. ردود المستجيب هي من النوع السلوكي أو بوساطة الجهاز العصبي اللاإرادي. وسيتم دراسة هاتين الآليتين في وقت لاحق.

آليات التنظيم الحراري

الآليات الفسيولوجية

تختلف آليات تنظيم درجة الحرارة بين نوع التحفيز الذي يتم تلقيه ، أي ما إذا كانت الزيادة أو النقص في درجة الحرارة. لذلك سوف نستخدم هذه المعلمة لإنشاء تصنيف للآليات:

تنظيم لدرجات حرارة عالية

لتحقيق تنظيم درجة حرارة الجسم ضد محفزات الحرارة ، يجب على الجسم تعزيز فقدانه. هناك عدة آليات:

توسع الأوعية

في البشر ، واحدة من أكثر الخصائص المدهشة للدورة الجلدية هي مجموعة واسعة من الأوعية الدموية التي لديها. تتميز الدورة الدموية عبر الجلد بخاصية تختلف اختلافًا كبيرًا تبعًا للظروف البيئية والتغيير من تدفق الدم المرتفع إلى المنخفض.

قدرة توسع الأوعية أمر بالغ الأهمية في التنظيم الحراري للأفراد. يسمح ارتفاع تدفق الدم خلال فترات ارتفاع درجة الحرارة للجسم بزيادة انتقال الحرارة ، من قلب الجسم إلى سطح الجلد ، إلى تبدد أخيرًا.

عندما يزيد تدفق الدم ، يزداد حجم الدم بدوره. وبالتالي ، يتم نقل كمية أكبر من الدم من قلب الجسم إلى سطح الجلد ، حيث يحدث انتقال الحرارة. يتم نقل الدم ، الذي أصبح الآن أكثر برودة ، إلى النواة أو مركز الجسم.

عرق

جنبا إلى جنب مع توسع الأوعية ، وإنتاج العرق أمر بالغ الأهمية للتنظيم الحراري لأنه يساعد على تبديد الحرارة المفرطة. في الواقع ، فإن إنتاج العرق وتبخره اللاحق هما الآلية الرئيسية للجسم لفقدان الحرارة. كما أنها تتصرف أثناء النشاط البدني.

العرق هو سائل ينتج عن الغدد العرقية المسماة eccrine ، ويتم توزيعه في جميع أنحاء الجسم بكثافة كبيرة ، ويمكن أن يؤدي تبخر العرق إلى نقل حرارة الجسم إلى البيئة كبخار مائي.

تنظيم لدرجات حرارة منخفضة

على عكس الآليات المذكورة في القسم السابق ، في حالات انخفاض درجة الحرارة ، يجب على الجسم تعزيز حفظ وإنتاج الحرارة بالطريقة التالية:

تضيق الأوعية

يتبع هذا النظام المنطق المعاكس الموصوف في توسع الأوعية ، لذلك لن نوسع كثيرًا في التفسير. البرد يحفز تقلص الأوعية الجلدية ، وبالتالي تجنب تبديد الحرارة.

انتصاب الشعر

هل تساءلت يومًا عن سبب ظهور "نتوءات الأوز" عندما نواجه درجات حرارة منخفضة؟ إنها آلية لتجنب فقدان الحرارة تسمى piloerection. ومع ذلك ، بما أن البشر لديهم شعر قليل نسبيًا في الجسم ، فهو يعتبر نظامًا فقيرًا وبدائيًا.

عندما يحدث ارتفاع كل شعر ، تزداد طبقة الهواء التي تتلامس مع الجلد ، مما يقلل من الحمل الحراري للهواء. هذا يقلل من فقدان الحرارة.

إنتاج الحرارة

الطريقة الأكثر سهولة لمواجهة درجات الحرارة المنخفضة هي من خلال إنتاج الحرارة. يمكن أن يحدث هذا بطريقتين: من خلال الترجيع الحراري وعدم الارتعاش.

في الحالة الأولى ، ينتج الجسم انقباضات عضلية سريعة وغير طوعية (وهذا هو السبب في ارتعاشك عند البرودة) التي تؤدي إلى إنتاج الحرارة. إن إرتعاش الإنتاج باهظ الثمن - من الناحية النشطة - لذلك سوف يلجأ إليه الجسم إذا فشلت الأنظمة المذكورة أعلاه.

يتم قيادة الآلية الثانية بواسطة نسيج يسمى الدهون البني (أو الأنسجة الدهنية البنية ، في الأدب الإنجليزي يتم تلخيصه عادة تحت اختصار BAT بواسطة الأنسجة الدهنية البنية ).

هذا النظام مسؤول عن فصل إنتاج الطاقة في عملية التمثيل الغذائي: بدلاً من تكوين ATP ، فإنه يؤدي إلى إنتاج الحرارة. إنها آلية مهمة بشكل خاص عند الأطفال والثدييات الصغيرة ، على الرغم من أن الأدلة الحديثة قد أشارت إلى أنها مهمة أيضًا عند البالغين.

الآليات الأخلاقية

تتكون الآليات الأخلاقية من جميع السلوكيات التي تظهرها الحيوانات لتنظيم درجة حرارتها. كما ذكرنا في مثال الزواحف ، يمكن وضع الكائنات الحية في بيئة مواتية لتعزيز أو منع فقدان الحرارة.

تشارك أجزاء مختلفة من الدماغ في معالجة هذه الاستجابة. في البشر تكون هذه السلوكيات فعالة ، على الرغم من أنها ليست منظمة بشكل جيد مثل السلوكيات الفسيولوجية.

تعديلات في التنظيم الحراري

يواجه الجسم تغيرات صغيرة وحساسة في درجة الحرارة على مدار اليوم ، اعتمادًا على بعض المتغيرات ، مثل إيقاع الساعة البيولوجية ، الدورة الهرمونية ، من بين الجوانب الفسيولوجية الأخرى.

كما ذكرنا ، فإن درجة حرارة الجسم تنظم مجموعة كبيرة من العمليات الفسيولوجية ويمكن أن يؤدي فقدان تنظيمها إلى ظروف مدمرة داخل الكائن المصاب.

يؤثر كلا من الأطراف الحرارية الشديدة - المنخفضة والمنخفضة - سلبًا على الكائنات الحية. درجات الحرارة المرتفعة جدًا ، التي تزيد عن 42 درجة مئوية عند البشر ، تؤثر بشدة على البروتينات ، مما يعزز تمسخها بالإضافة إلى ذلك ، يتأثر تخليق الحمض النووي. الأعضاء والخلايا العصبية معطوبة.

وبالمثل ، درجات الحرارة أقل من 27 درجة مئوية تؤدي إلى انخفاض حرارة الجسم الشديد. التغييرات في النشاط العصبي العضلي والقلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي لها عواقب وخيمة.

تتأثر أعضاء متعددة عندما لا يعمل التنظيم الحراري بالطريقة الصحيحة. من بينها ، والقلب والدماغ والجهاز الهضمي والرئتين والكلى والكبد.