If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Методи за регулация на телесната температура

Как поведение, анатомия и физиология спомагат на животните да регулират телесната си температура.

Основни идеи

  • Много животни регулират телесната си температура чрез специфично поведение като излагане на слънце, престой на сянка или събиране в групи за взаимно затопляне.
  • Хомотермните (топлокръвните) животни могат да променят производството си на топлина чрез метаболизма си; така те поддържат температурата на тялото си чрез термогенеза с треперене или без треперене.
  • Вазоконстрикцията—свиване—и вазодилатацията—разширяване—на кръвоносните съдове в кожата могат да доведат до промяна в обмена на топлина между тялото и околната среда.
  • Обратен топлообмен е специфично успоредно подреждане на кръвоносните съдове, при което топлината преминава от по-топлата (артериална) към по-студената (венозна) кръв, с цел намаляване загубата на телесна температура.
  • Някои животни използват механизми за регулиране на телесната температура като топлоизолация на тялото, изпаряване чрез потене или ускорено дишане.

Въведение

Защо се припичат на слънце гущерите? Защо дивите зайци имат големи уши? Защо кучетата дишат ускорено и с изплезен език, когато им е топло? Животните имат различни начини за регулиране на телесната си температура! Тези стратегии за терморегулация им позволяват да живеят при много различни условия, някои от които дори екстремни.
Полярните мечки и пингвините, например, поддържат висока телесна температура в техните ледени домове на полюсите, докато кенгуровия плъх, игуаната и гърмящата змия обитават места като Долината на смъртта, където температурите през лятото надвишават 100F (38C)1.
Да разгледаме отблизо някои поведенчески стратегии, физиологични процеси и анатомични особености, които позволяват на животните да регулират телесната си температура.
Вляво, полярна мечка скача между ледени блокове. Вдясно, гущер в Долината на смъртта.
Снимка вляво - полярна мечка, скачаща между ледени блокове, Polar bear jumping от Arturo de Frias Marques, CC BY-SA 4.0; Снимка вдясно - гущер в Долината на смъртта, Lézard à queue de zèbre от Jon Sullivan, обществено достояние

Механизми за терморегулация

Както вече отбелязахме, животните се делят на хомотермни и пойкилотермни в зависимост от вида на регулация на телесната им температура.
  • Хомотермните (топлокръвните) животни, каквито са птици и бозайници, използват метаболитно произведена топлина за регулация на постоянна вътрешна температура. Често тази температура е различна от температурата на околната среда.
  • Пойкилотермните (студенокръвните) животни, каквито са гущери и змии, не използват метаболитна топлина, а използват температурата на околната среда за поддръжка на телесната си температура.
И топлокръвните, и студенокръвните животни притежават адаптации(приспособления) - характеристики придобити в резултат от естествен подбор, които спомагат за поддръжка на балансирана телесна температура. Тези приспособления могат да бъдат поведенчески, анатомични или физиологични. Някои характеристики повишават продукцията на топлина при топлокръвните животни, когато е студено. Други, срещани и при топлокръвни, и при студенокръвни животни, повишават или намаляват количеството на топлообмен с околната среда.
В настоящия урок ще разгледаме три обширни категории на терморегулаторни механизми:
  • Поведенчески методи
  • Повишаване на метаболитно произвежданата топлина
  • Контролиране обмена на телесна топлина с околната среда

Поведенчески методи

Как ти регулираш телесната си температура чрез твоето поведение? Ако денят е топъл, можеш да идеш да плуваш, да пийнеш малко студена вода или да стоиш на сянка. Ако денят е студен, можеш да облечеш палто, да останеш на завет в някой ъгъл или да изядеш топла супа.
Останалите животни също имат подобно поведение. Например слоновете се пръскат с вода, за да се охладят, когато е горещо. Също така много животни търсят сянка, когато им е твърде топло. От друга страна, гущерите често се припичат на затоплени от слънцето скали, за да се стоплят. А малките на пингвините се събират в група, за да намалят загубата си на топлина.
Някои студенокръвни животни толкова добре използват поведенчески стратегии за температурна регулация, че успяват да поддържат относително постоянна телесна температура, въпреки че не произвеждат метаболитна топлина.
Горе вляво, игуана на скала се припича на слънце; горе вдясно, слон се полива с вода; долу вляво, свободни кокошки седят на сянка под брезента сред поле; долу вдясно, женски пингвини се гушат, за да се стоплят.
Примери на поведенчески температурни регулации: припичане на слънце, охлаждане с вода, търсене на сянка и сгушване в плътна голяма група за взаимно стопляне. Iguana на Skeeze, обществено достояние; Elephant cooling off на Jean Beaufort, обществено достояние; Chickens seeking shade на Geoffrey McKim, CC BY-SA 2.0; Penguin chicks huddling, на David Stanley, CC BY 2.0

Увеличаване производството на топлина – термогенеза

Хомотермните (топлокръвните) животни разполагат с различни начини за увеличаване на метаболитно произвeдената топлина, така наречената термогенеза, като реакция на застудяване в околната среда.
Един от начините е чрез съкращение (контракция) на мускулите – например неконтролируемото треперене, когато ти е много студено, съзнателните движения като разтъркване на ръцете една в друга и бързо ходене, както и несъзнателните движения като треперене, увеличават активността на мускулите и по този начин се увеличава производството на топлина в тялото.
Термогенезата без треперене е друг механизъм за производство на телесна топлина, подвластен на специален вид мастна тъкан, наречена кафява мастна тъкан. Новородените на бозайниците, както и хиберниращите бозайници, разполагат с големи количества кафява мастна тъкан. Тази тъкан съдържа голям брой митохондрии със специални (разединяващи) протеини, които позволяват отделяне на енергията от енергийните молекули директно под формата на топлина, вместо първоначалното и преобразуване в ATФ.2)
За да научиш повече за това как енергията се освобождава като топлина в кафявите мастни клетки, погледни в раздел разединяващи протеини в статията Защо се нуждаем от кислород.

Контрол на загубата на телесна топлина и приемът на външна топлина

Животните разполагат също и с анатомични и физиологични структури и функции, които контролират количеството обменена топлина с околната среда.
  • Механизми на кръвообращението, например промяна на структурата на кръвния поток
  • Изолация чрез козина, мастна тъкан или пера
  • Механизми на изпарение като учестено дишане с изплезен език (птици, влечуги, кучетата) и изпотяване

Механизми за терморегулация чрез кръвообращението

Повърхността на тялото е основното място за топлообмен с околната среда. Контролиране потока на кръв към кожата е основен метод за въздействие върху скоростта на отдаване или приемане на топлина от заобикалящата среда.

Свиване и разширяване на кръвоносните съдове

При хомотермните (топлокръвните) животни по принцип кръвта, идваща от вътрешността на тялото, губи част от топлината си при преминаване в близост до кожата. Намаляването на диаметъра на кръвоносните съдове, снабдяващи кожата - процес наречен съдосвиване (вазоконстрикция) - води до намаляване на кръвния поток и съответно запазване на топлина.
Капилярната мрежа близо до повърхността на кожата се захранва от кръвоносен съд, който може да се свива (вазоконстрикция) или разширява (вазодилатация), за да контролира потока на кръв през капилярите. Когато е студено, този кръвоносен съд се свива и кръвта, идваща от сърцето, не влиза в капилярната мрежа. Вместо това преминава по отклонение, което ѝ позволява да заобиколи повърхността на кожата. Следователно кръвта, която се връща към сърцето, не е загубила много топлина.
Схема: базирана на сходни диаграми в Gillam3
От друга страна при необходимост от охлаждане на топлокръвно животно, например след бягство от хищник, същите кръвоносни съдове се разширяват. Този процес се нарича съдоразширяване (вазодилатация). Съдоразширяването увеличава кръвният поток в близост до кожата и спомага отделянето на топлина през кожата към околната среда.
Капилярната мрежа близо до повърхността на кожата е захранвана от кръвоносен съд, който може да се свива (вазоконстрикция) или разширява (вазодилатация), за да контролира потока на кръв през капилярите. Когато е горещо, този кръвоносен съд се разширява и кръвта, която идва от сърцето, влиза в капилярната мрежа, без да навлезе в допълнителния кръвоносен съд, който би ѝ позволил да заобиколи повърхността на кожата. Преминавайки близо до кожата, кръвта губи топлина от контакта с по-хладната околна среда и затова излиза от капилярната мрежа на път към сърцето по-охладена.
Схема: базирана на сходни диаграми в Gillam3
Често бозайниците, покрити с козина, разполагат с мрежа от кръвоносни съдове, намираща се на места с оголена кожа, с цел обмяна на топлина с околната среда. Например дивите зайци имат големи уши с обширна мрежа от кръвоносни съдове, позволяваща ускорено отделяне на топлина. Тази адаптация им позволява да живеят и в горещи пустинни условия.4
Снимка на заек в пустинята и ухото на заека в увеличен мащаб, където се вижда мрежата от кръвоносни съдове
Източник на снимката: модифицирано от Black-tailed jackrabbit на K. Schneider, CC BY-NC 2.0
Някои студенокръвни животни също регулират потока на кръв към кожата като начин за запазване на топлина. Например игуаните намаляват кръвния поток към кожата си, когато влизат да плуват в студена вода, запазвайки по този начин топлината, която преди това са събрали на сушата.5,6

Противотоков топлинен обмен

Множество птици и бозайници имат адапатции за противотоков топлообмен в кръвоносната система, позволяващи трансфер на топлина от кръвоносни съдове с топла кръв към кръвоносни съдове със студена кръв. За да видим как работи този процес, нека да разгледаме един пример.
В краката на блатните птици артерията, която се спуска надолу по краката, носи топла кръв от тялото. Артерията е разположена успоредно на вена, която пренася студената кръв нагоре по краката. Спускащата се топла кръв предава голямо количество от топлината си на изкачващата се студена кръв чрез топлообмен. По този начин по-малко топлина се губи през краката поради температурна разлика между тялото и околната среда. Също така завръщащата се към сърцето кръв ще е относително топла, предпазвайки вътрешността на тялото от изстиване.7 (Бележка на преводача: По този начин в крайниците, граничещи със студената среда, тече само студена кръв. Например сивите китове поглъщат много литри студена океанска вода наведнъж, което би представлявало огромна загуба на топлина. Чрез естествен отбор и методи на адаптация сивият кит е развил система за обратен топлообмен на повърхността на езика си. Топлата кръв, течаща през артериите, отдава същевременно топлина на кръвта, която се връща в тялото на кита чрез вените му. На същият принцип перките на китове, делфини, както и крайниците на бозайници и птици използват обратен топлообмен при ниска околна температура.)
Схема на кръвоносните съдове на крака на блатна птица
  1. Топла артериална кръв се придвижва по артерия от тялото към крака
  2. Артериална кръв предава топлина на студената венозна кръв, която идва от крака.
  3. Артериалната кръв сега е по-студена и ще изгуби по-малко топлина от околната среда, докато се придвижва през крака.
  4. Студена венозна кръв, която се изкачва от крака, се затопля, преди да стигне до торса.
Източник на снимката: модифицирано от Counter current exchange in birds на Ekann, CC BY-SA 4.0; модифицираната снимка е лицензирана с CC BY-SA 4.0 лиценз

Изолация

Друг начин за намаляване на топлинната загуба към околната среда е чрез изолация. Птиците използват пера, а повечето бозайници използват окосмяване или козина, като по този начин задържат въздух в близост до кожата и намаляват топлинния обмен с околната среда. Морски бозайници като китовете, използват китова мас - дебел слой мастна тъкан, като мощен вид изолация.
При студено време птиците разпухват перата си, а бозайниците настръхват (изправят) козината си, като по този начин увеличават дебелината на изолиращият въздушен слой. Същата реакция при хората – настръхването – не е толкова ефективна, защото разполагаме с ограничено телесно окосмяване. Затова и повечето от нас носят пуловер!
Вляво, гълъб напухва перата си, за да се стопли; вдясно, човек настръхва в опит за увеличаване на изолацията чрез задържане на въздух близо до кожата - но не е много ефективно, поради липсата на косми!
Вляво: гълъб разпухва перата си, за да запази топлина; вдясно: човек настръхва в опит да увеличи изолацията чрез задържане на въздух близо до кожата - но не е много ефективно, поради липса на косми! Източници на снимките: ляво, Parrow cold big bird от Mike Sandoval, обществено достояние; дясно, Goose bumps, от Ildar Sagdejev, CC BY-SA 3.0

Механизми за охлаждане чрез изпарение

Сухоземните животни често отделят вода през кожата, устата и носа посредством изпарение във въздуха. Чрез изпарението се отделя топлина и то представлява механизъм за охлаждане.
Например много бозайници могат да активират механизми като потене и учестено дишане с цел увеличаване на изпарителното охлаждане като реакция към висока телесна температура.
  • При потенето жлезите, намиращи се в кожата, отделят вода, съдържаща различни йони—електролитите, които възстановяваме със спортни напитки. Единствено бозайниците могат да се потят.
  • При ускореното дишане животните дишат бързо и повърхностно с отворена уста, увеличавайки така изпарението от повърхността на устата. Бозайници и птици дишат учестено, или поне използват подобни стратегии на дишане за охлаждане на тялото.8
При някои видове като кучетата изпарителното охлаждане (от учестеното дишане) в съчетание с противотокол топлинен обмен спомага за предпазване на мозъка от твърде високи температури.9
Вляво, вълк диша тежко, за да изгуби топлина; вдясно, капки пот на човешка ръка.
Вляво, вълк диша тежко, за да изгуби топлина; вдясно, капки пот на човешка ръка. Източници на изображенията: ляво, Panting wolf от Mark Dumont, CC BY-NC 2.0; дясно, Photo of sweating at Wilson Trail Stage 1 от Minghong, CC BY-SA 3.0

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.