Основно съдържание
Курс: Биологична библиотека > Раздел 32
Урок 2: Метаболизъм и терморегулацияСкорост на метаболизма
Метаболизъм на топлокръвни и студенокръвни животни. Базална метаболитна скорост и стандартна метаболитна скорост. Как скоростта на метаболизма варира спрямо размера на тялото и нивото на активност.
Ключови точки:
- Метаболизмът е неефикасен и при неговите процеси се произвежда топлина. Ендотермните животни използват метаболитната топлина, за да поддържат постоянна телесна температура, докато ектотермните животни не го правят.
- Основната обмяна на веществата на дадено животно се измерва като скорост на базовия метаболизъм (СБМ) при еднотермните животни или като скорост на стандартния метаболизъм (ССМ) при ектотермните.
- При ендотермните животни по-малките животни имат по-висока скорост на базовия метаболизъм за грам маса (по-"горещ" метаболизъм) в сравнение с по-големите животни. Същото е вярно и за ектотермните животни, въпреки че не можем да сравняваме двете групи.
- Скоростта на метаболизма се променя с нивото на активност. По-активните животни имат по-висока скорост на метаболизма, отколкото по-малко активните животни.
- Някои животни изпадат в състояние на летаргия, в което метаболизмът им се забавя. Хибернацията през зимата и естивацията през лятото са разновидности на летаргия.
Въведение
Свикнали сме да свързваме метаболизма основно с хранителните навици на хората. Например човек, който трябва постоянно да яде, за да не отслабва, може да каже, че има "бърз метаболизъм", докато човек, който яде съвсем малко и пак надебелява, може да каже, че има "бавен метаболизъм."
Въпреки това метаболизмът не е нещо уникално само за хората. Всъщност метаболизъм означава съвкупността от всички биохимични реакции, които протичат в тялото на даден организъм. Така че всяко живо същество има метаболизъм, както бактерията, така и растението, така и ти!
Какво точно е скоростта на метаболизма на даден организъм? Общо казано скоростта на метаболизма се отнася до това колко бързо се разграждат "горива", като захарите, за да поддържат функционирането на клетките на организма. Има някои основни разлики в скоростта на метаболизма между видовете животни. Условията на околната среда и нивото на активност на отделния организъм също влияят на скоростта на метаболизма.
В тази статия ще разгледаме основите на метаболизма и ще видим как скоростта на метаболизма се различава между различните видове и как се променя в зависимост от условията.
Метаболизъм и производство на топлина
Вероятно за теб няма да е нещо ново да чуеш, че животните, както и хората, се нуждаят от храна като източник на енергия. Но защо това е така?
Веществата в закуската, обяда или вечерята ти съхраняват енергия в химичните си връзки. Някои от метаболитните реакции в тялото ти, например тези, участващи в клетъчното дишане, извличат енергията и улавят част от нея в аденозинтрифосфат (АТФ). От своя страна, тази молекула, преносител на енергия, може да бъде използвана за захранване на други метаболитни реакции, които поддържат функционирането на клетката.
Молекулите от храната се използват и като градивни единици за структури в тялото. Например белтъците от храната ти се разграждат до съставните им части (аминокиселини) и могат да се използват, за да изградят нови белтъци в собствените ти клетки. Ако ядеш повече от достатъчно, за да си възвърнеш енергията, която изразходваш, енергията от храната може да се съхрани като гликоген (верига от свързани молекули глюкоза) или като триглицериди (мастни молекули), за да се използва по-късно.
Работата по извличане на енергия от молекулите-"горива" и използването ѝ за захранване на клетъчни реакции не е изцяло ефикасен процес. Всъщност няма процес на пренос на енергия, който да е напълно ефикасен, това е основен закон на физиката. Вместо това всеки път, когато енергията промени формата си, част от нея става неизползваема. В реакциите от животинския метаболизъм голяма част от енергията в молекулите-"горива" се освобождава като топлина.
Но това не е непременно нещо лошо! Някои животни могат да използват (и да регулират) метаболитното си производство на топлина, за да поддържат сравнително постоянна телесна температура. Тези животни, наречени ендотермни, включват бозайниците, като хората, както и птиците. Ектотермни, от друга страна, са животни, които не използват метаболитно производство на топлина, за да поддържат постоянна телесна температура. Вместо това телесната им температура се променя с температурата на околната среда. Гущерите и змиите са примери за ектотермни животни.
Скорост на метаболизма
Количеството енергия, която животното изразходва за определен период от време, определя скоростта на метаболизма му. Скоростта на метаболизма може да се измери в джаули, калории или килокалории за единица време. Може да видиш скоростта на метаболизма, представена и като консумация на кислород (или производство на въглероден диоксид) за единица време. Кислородът се използва в клетъчното дишане, а въглеродният диоксид се произвежда като страничен продукт, така че и двете мерки показват колко "гориво" се използва.
В някои случаи скоростта на метаболизма се дава за цялото животно. В други – скоростта на метаболизма се представя като скорост за дадено количество маса. Например колко енергия се използва от
Основната обмяна на веществата на дадено животно се измерва като скорост на базовия метаболизъм (СБМ) при ендотермните животни или като скорост на стандартния метаболизъм (ССМ) при ектотермните. И СБМ, и ССМ измерват скоростта на метаболизма на животни, които са в покой, спокойни/нестресирани и които не храносмилат активно.
- При ендотермните СБМ се измерва и когато животното е в термонеутрална среда – това означава, че организмът е в условия, при които не използва допълнителна енергия (над базовата), за да поддържа температурата си.
- При ектотермните ССМ се променя с температурата, така че всяко измерване на ССМ е специфично за температурата, при която е направено.
Ендотермните животни имат висока скорост на базовия метаболизъм и се нуждаят от много енергия заради поддръжката на постоянна телесна температура. Ектотермните животни със сходни размери имат много по-ниска скорост на стандартния метаболизъм и се нуждаят от по-малко енергия, понякога от
А хората? Възрастен мъж има СБМ от
Енергийни изисквания, свързани с размера на тялото
Кой има по-висока скорост на метаболизма: мишката или слонът? Ако разглеждаме скоростта на метаболизма на целия организъм, слонът ще спечели – той има много повече метаболизираща тъкан в сравнение с мишката. Но ако разглеждаме скоростта на метаболизма за единица маса, ситуацията се обръща. Един грам от тъканта на мишката метаболизира над
Интересно е, че това е много основна взаимовръзка в природата. При ендотермните животни (животни, които използват топлина, произведена от тялото, за да поддържат постоянна вътрешна температура), колкото по-малка е масата на даден организъм, толкова по-висока е скоростта на базовия му метаболизъм. Връзката между маса и скорост на метаболизма се среща при много видове и дори се подчинява на специално математическо уравнение.
Защо това е така? Краткият отговор е, че не сме съвсем сигурни! Част от обяснението може да е свързано със съотношението на площта към обема на организма и как това съотношение се променя с размера на животното. Както малка клетка има по-голяма площ спрямо обема си, в сравнение с по-голяма клетка, така и малко животно има по-голяма площ спрямо обема на метаболизиращата си тъкан.
Тъй като животните обменят топлина с околната среда през повърхността на тялото си, малките животни губят топлина в по-студена среда по-бързо, отколкото големите животни. Заради това по-малките животни се нуждаят от повече енергия и по-висока скорост на метаболизма, за да поддържат постоянна вътрешна температура (в среда, чиято температура е по-ниска от тази на тялото им).
Но това може би не е цялото обяснение за връзката между телесната маса и скоростта на метаболизма. Защо? Първо, скоростта на метаболизма при ектотермните животни също е свързана с телесната маса, както при ендотермните
Енергийни изисквания, свързани с нивата на активност
Скоростта на базовия метаболизъм (СБМ) или скоростта на стандартния метаболизъм (ССМ) измерват скоростта на метаболизма на животно, което е в покой, не е стресирано или развълнувано и не извърша никакви активни дейности. Не знам за теб, но през по-голямата част от времето аз не отговарям на това описание!
Колкото по-активно е дадено животно, толкова повече енергия трябва да изразходва, за да поддържа дейността си, и толкова по-висока е скоростта на метаболизма му. Например хамстерът, който тича в колелото си на снимката по-долу, ще има по-висока скорост на метаболизма в сравнение с подобен хамстер, който просто си дремва в ъгъла.
Това е нещо, което на нас хората ни е познато от всекидневието. Например, ако прекараш деня в дълъг преход в планината или в спортуване с приятели, накрая ще огладнееш много (това показва, че през деня си изразходил/а много енергия и се нуждаеш от още "гориво"). Ако, от друга страна, лежиш в леглото цял ден и четеш или гледаш телевизия, ще огладнееш по-малко, защото ще си използвал/а по-малко енергия.
По принцип при животните средната скорост на ежедневна консумация на енергия е много по-висока от СБМ – около
Скоростта на метаболизма на животното определя колко храна трябва да приема, за да поддържа постоянна телесна маса. Ако животното не яде достатъчно, за да си възвърне енергията, която изразходва, ще започне да губи телесна маса (като гликоген, мазнини и други молекули, които се изразходват като гориво). От друга страна, ако животното приема повече храна, отколкото му е необходима, за да си възвърне енергията, която изразходва, ще има излишък от химична енергия, която се съхранява от тялото като гликоген или мазнини. Това е основата на загубата или покачването на тегло при хората, както и при други животни.
Летаргия, хибернация и естивация
Някои животни отговорят на сигнали от околната среда, като забавят метаболитните си процеси и понижават телесната си температура, изпадайки в състояние, наречено летаргия. Летаргия е състояние на понижена активност и метаболизъм, което позволява на животните да оцелеят при неблагоприятни условия и/или да спестят енергия.
Летаргията може да се използва за дълги периоди от време. Например някои животни хибернират. Хибернацията е състояние, при което те забавят метаболизма си и поддържат понижена телесна температура през зимата. Знаците, които подсказват на животните да започнат да хибернират, включват понижение на външната температура и скъсяване на дните
Различните животни имат различни модели на хибернация. Например абдоминалната (коремната) температурата на хиберниращ лалугер (семейство Sciuridae) може да падне до
Някои животни изпадат в продължителна летаргия през летните месеци, когато температурите са високи, а водата е оскъдна. В този случай продължителната летаргия се нарича естивация. Някои пустинни животни изпадат в естивация в отговор на сухи условия. Това състояние им помага да преживеят най-суровите месеци от годината
Летаргията може да продължи и за кратък период. Ежедневната летаргия може да е спорадична (случайна), в отговор на неблагоприятни условия, или да се повтаря предвидимо. Например някои малки ендотермни животни като съселите намаляват количеството енергия, от което се нуждаят (следователно и храната, която трябва да консумират), като изпадат в състояние на летаргия през най-студената част от деня. В противен случай би трябвало да използват много енергия, за да произведат метаболитна топлина и да поддържат телесната си температура.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.