Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о биологической терморегуляции. Для химических реакций см. Эндотермический .
Терморегуляция у животных
Вики ostrich.jpg

Эндотермический (от греческий ἔνδον endon «в» и θέρμη Therme «тепло») представляет собой организм , который поддерживает свое тело в метаболически благоприятной температуре, в основном за счет использования тепла , выделяемого его внутренних функций организма , вместо того , чтобы полагаться почти исключительно на температуры окружающего воздуха . Такое внутренне генерируемое тепло в основном является побочным продуктом обычного метаболизма животного , но в условиях чрезмерного холода или низкой активности эндотерм может применять специальные механизмы, специально адаптированные для производства тепла. Примеры включают специальные мышечные нагрузки, такие как дрожь , и несвязанный окислительный метаболизм, например, в коричневой жировой ткани.. К повсеместно эндотермическим группам животных относятся только птицы и млекопитающие . Некоторые акулы-ламниды, тунцы и морские рыбы также являются эндотермическими.

В просторечии эндотермы характеризуются как « теплокровные ». Противоположностью эндотермии является эктотермия , хотя в целом не существует абсолютного или четкого разделения между природой эндотерм и эктотерм.

Происхождение [ править ]

Эндотермия возникла ближе к концу пермского периода, примерно между 252 и 259 миллионами лет назад. [1]

Механизмы [ править ]

Производство и сохранение тепла [ править ]

Устойчивый выход энергии эндотермических животных ( млекопитающих ) и экзотермических животных ( рептилий ) в зависимости от внутренней температуры
Это изображение показывает разницу между эндотермами и эктотермами. Мышь эндотермична и регулирует температуру своего тела посредством гомеостаза. Ящерица экзотермична, и температура ее тела зависит от окружающей среды.

Многие эндотермы имеют большее количество митохондрий на клетку, чем эктотермы. Это позволяет им выделять тепло за счет увеличения скорости метаболизма жиров и сахаров . Соответственно, для поддержания своего более высокого метаболизма эндотермическим животным обычно требуется в несколько раз больше пищи, чем экзотермическим животным, и обычно требуется более постоянный запас метаболического топлива.

У многих эндотермических животных контролируемое временное состояние гипотермии сберегает энергию, позволяя температуре тела упасть почти до уровня окружающей среды. Такие состояния могут быть короткими регулярными циркадными циклами, называемыми оцепенением , или они могут проявляться в гораздо более длительных, даже сезонных, циклах, называемых гибернацией . Температура тела многих мелких птиц (например , колибри ) и мелкие млекопитающие (например , тенреки ) резко падают во время ежедневного простоя, например, каждой ночь в суточных животных или в течение дня в ночноеживотных, тем самым снижая энергетические затраты на поддержание температуры тела. Менее резкое периодическое снижение температуры тела также наблюдается при других, более крупных эндотермах; например, метаболизм человека также замедляется во время сна, вызывая падение внутренней температуры, обычно порядка 1 градуса Цельсия. Могут быть и другие колебания температуры, обычно меньшие, либо эндогенные, либо в ответ на внешние обстоятельства или сильную физическую нагрузку, а также повышение или понижение. [2]

В состоянии покоя человеческое тело вырабатывает около двух третей тепла за счет обмена веществ во внутренних органах грудной клетки и брюшной полости, а также в головном мозге. Мозг вырабатывает около 16% тепла, производимого телом. [3]

Потеря тепла является серьезной угрозой для более мелких существ, поскольку у них большее отношение площади поверхности к объему . Мелкие теплокровные животные имеют утеплитель в виде меха или перьев . Водные теплокровные животные, такие как тюлени , обычно имеют под кожей глубокий слой подкожного жира и любую шерсть, которая у них может быть; оба способствуют их изоляции. У пингвинов есть и перья, и жир. Перья пингвинов похожи на чешую и служат как для утепления, так и для обтекаемости. Эндотермы, живущие в очень холодных условиях или условиях, предрасполагающих к потере тепла, например, в полярных водах, имеют тенденцию кспециализированные структуры кровеносных сосудов в конечностях, которые действуют как теплообменники . Вены соседствуют с артериями, наполненными теплой кровью. Часть артериального тепла передается в холодную кровь и возвращается обратно в туловище. Птицы, особенно кулики , часто имеют очень хорошо развитые механизмы теплообмена в ногах - механизмы в ногах императорских пингвинов являются частью адаптации, позволяющей им проводить месяцы на зимних льдах Антарктики. [4] [5] В ответ на холод многие теплокровные животные также уменьшают приток крови к коже за счет сужения сосудов, чтобы уменьшить потерю тепла. В результате они бледнеют (бледнеют).

Как избежать перегрева [ править ]

В экваториальном климате и в течение умеренного лета перегрев ( гипертермия ) представляет такую ​​же опасность, как и холода. В жарких условиях многие теплокровные животные увеличивают потерю тепла из-за одышки, которая охлаждает животное за счет увеличения испарения воды при дыхании и / или смывания, увеличивая приток крови к коже, поэтому тепло излучается в окружающую среду. Голые и короткошерстные млекопитающие, в том числе люди, тоже потеют , поскольку испарение воды с потом снимает тепло. Слоны сохраняют хладнокровие, используя свои огромные уши, как автомобильные радиаторы . Их уши тонкие, а кровеносные сосуды находятся близко к коже, и, хлопая ушами, чтобы увеличить поток воздуха над ними, кровь охлаждается, что снижает внутреннюю температуру их тела, когда кровь движется через остальную систему кровообращения.

Плюсы и минусы эндотермического метаболизма [ править ]

Основное преимущество эндотермии перед экзотермией - это меньшая уязвимость к колебаниям внешней температуры. Независимо от местоположения (и, следовательно, внешней температуры), эндотермия поддерживает постоянную внутреннюю температуру для оптимальной активности ферментов.

Эндотермы регулируют температуру тела с помощью внутренних гомеостатических механизмов. У млекопитающих в терморегуляции вовлечены два отдельных гомеостатических механизма: один увеличивает температуру тела, а другой снижает ее. Наличие двух отдельных механизмов обеспечивает очень высокую степень контроля. Это важно, потому что внутреннюю температуру млекопитающих можно контролировать так, чтобы она была как можно ближе к оптимальной температуре для активности ферментов.

Общая скорость метаболизма животного увеличивается примерно в два раза на каждые 10 ° C (18 ° F) повышения температуры , что ограничивается необходимостью избегать гипертермии . Эндотермия не обеспечивает большей скорости передвижения, чем эктотермия (хладнокровность) - экзотермические животные могут двигаться так же быстро, как теплокровные животные того же размера, и строить, когда эктотермия близка к оптимальной температуре или достигает ее, но часто не могут поддерживать высокий уровень метаболизма. активность до тех пор, пока эндотермы. Эндотермные / гомеотермные животные могут быть оптимально активными в течение большего количества раз в течение суточного цикла в местах резких перепадов температуры между днем ​​и ночью и в течение большей части года в местах с высокой сезонностью.перепады температур. Это сопровождается необходимостью тратить больше энергии на поддержание постоянной внутренней температуры и увеличивать потребность в пище. [6] Эндотермия может иметь важное значение во время воспроизводства, например, для расширения температурного диапазона, в котором вид может воспроизводиться, поскольку эмбрионы, как правило, не переносят тепловые колебания, которые легко переносятся взрослыми. [7] [8] Эндотермия также может обеспечить защиту от грибковой инфекции. В то время как десятки тысяч видов грибов заражают насекомых, лишь несколько сотен поражают млекопитающих и часто только тех, у которых ослаблена иммунная система . Недавнее исследование [9]предполагает, что грибы принципиально плохо приспособлены к жизни при температурах млекопитающих. Высокие температуры, обеспечиваемые эндотермией, могли дать эволюционное преимущество.

Ectotherms будут повышать температуру своего тела в основном за счет внешних источников тепла, таких как энергия солнечного света , поэтому они зависят от возникающих условий окружающей среды, чтобы достичь рабочих температур тела. Эндотермические животные в основном используют внутреннее производство тепла через метаболически активные органы и ткани (печень, почки, сердце, мозг, мышцы) или специализированные выделяющие тепло ткани, такие как коричневая жировая ткань (BAT). Таким образом, в целом эндотермы имеют более высокую скорость метаболизма, чем эктотермы при данной массе тела. Как следствие, им также потребуется более высокая норма потребления пищи, что может ограничить изобилие эндотермов больше, чем эктотерм.

Поскольку эктотермы зависят от условий окружающей среды для регулирования температуры тела, они обычно более медлительны ночью и утром, когда они выходят из своих укрытий, чтобы согреться с первыми солнечными лучами. Таким образом, у большинства эктотерм позвоночных деятельность по добыче кормов ограничивается дневным временем (режимом дневной активности). У ящериц, например, известно, что только несколько видов ведут ночной образ жизни (например, многие гекконы), и они в основном используют стратегии кормодобывания «сиди и жди», которые могут не требовать такой высокой температуры тела, как та, которая необходима для активного кормодобывания. Таким образом, эндотермические виды позвоночных в меньшей степени зависят от условий окружающей среды и развили высокую изменчивость (как внутри видов, так и между видами) в своей суточной активности. [10]

Считается , что эволюция endothermia имеет решающее значение в развитии плацентарные разнообразия видов млекопитающих в период мезозоя. Эндотермия дала ранним млекопитающим способность вести активный образ жизни в ночное время, сохраняя при этом небольшие размеры тела. Адаптации в фоторецепции и потеря защиты от ультрафиолета, характерные для современных млекопитающих, понимаются как адаптации к изначально ночному образу жизни, что позволяет предположить, что группа прошла через эволюционное горлышко ( гипотеза о ночном узком месте ). Это могло бы избежать давления хищников со стороны дневных рептилий и динозавров, хотя некоторые хищные динозавры, будучи в равной степени эндотермическими, могли приспособиться к ночному образу жизни, чтобы охотиться на этих млекопитающих. [10][11]

Факультативная эндотермия [ править ]

Многие виды насекомых способны поддерживать температуру грудной клетки выше температуры окружающей среды с помощью физических упражнений. Они известны как факультативные эндотермы или эндотермы упражнений. [12] медоносная пчела , например, делает это путем сокращения мышц антагонистических полета без перемещения крылья (см насекомых терморегуляции ). [13] [14] [15] Эта форма термогенеза, однако, эффективна только выше определенного температурного порога, а ниже примерно 9–14 ° C (48–57 ° F) медоносная пчела возвращается к эктотермии. [14] [15] [16]

Факультативную эндотермию также можно наблюдать у нескольких видов змей, которые используют тепло своего метаболизма для согревания яиц. Python molurus и Morelia spilota - два вида питонов, у которых самки окружают свои яйца и дрожат, чтобы их высиживать. [17]

Региональная эндотермия [ править ]

Было показано, что некоторые эктотермы , в том числе несколько видов рыб и рептилий , используют региональную эндотермию, когда мышечная активность заставляет определенные части тела оставаться при более высоких температурах, чем остальная часть тела. [18] Это позволяет лучше передвигаться и использовать чувства в холодных условиях. [18]

Контраст между термодинамической и биологической терминологией [ править ]

Из-за исторической случайности [ необходима цитата ] студенты сталкиваются с источником возможной путаницы между терминологией физики и биологии. В то время как термодинамические термины « экзотермический » и « эндотермический » соответственно относятся к процессам, которые выделяют тепловую энергию, и процессам, которые поглощают тепловую энергию, в биологии смысл фактически перевернут. В метаболических терминах «ectotherm» и «эндотермические» соответственно относятся к организмам , которые полагаются в основном на внешнем тепле , чтобы достичь полной рабочей температуры, а также микроорганизмы , которые вырабатывают тепло внутри как основной фактор в управлении их температурой тела. [19]

См. Также [ править ]

  • Теплокровный

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кевин Рей; и другие. (Июл 2017). «Изотопы кислорода предполагают повышенный термометаболизм во множестве пермориасовых кладов терапсидов» . eLife . 6 . DOI : 10.7554 / eLife.28589 . PMC  5515572 . PMID  28716184 .
  2. ^ Refinetti, Роберто (2010). «Циркадный ритм температуры тела» . Границы биологических наук . 15 : 564–594. DOI : 10,2741 / 3634 . PMID 20036834 . 
  3. ^ "Перенос тепла" . users.rcn.com . 25 июня 2014. Архивировано из оригинала на 1 декабря 2015 года.
  4. ^ Томас, DB; Фордайс, RE (2008). «Гетеротермическая лазейка, используемая пингвинами». Австралийский зоологический журнал . 55 (5): 317–321. DOI : 10.1071 / ZO07053 .
  5. ^ Томас, Дэниел Б .; Ксепка, Даниил Т .; Фордайс, Р. Юэн (2011). «Пингвиновские теплоудерживающие конструкции возникли в теплице на Земле» . Письма о биологии . 7 (3): 461–464. DOI : 10.1098 / RSBL.2010.0993 . PMC 3097858 . PMID 21177693 .  
  6. ^ Кэмпбелл, Северная Америка; Рис, JB; и другие. (2002). Биология (6-е изд.). Бенджамин / Каммингс. п. 845 .
  7. ^ Фермер, CG (2000-03-01). «Родительский уход: ключ к пониманию эндотермии и других конвергентных функций у птиц и млекопитающих». Американский натуралист . 155 (3): 326–334. DOI : 10.1086 / 303323 . ISSN 0003-0147 . PMID 10718729 .  
  8. ^ Фермер, CG (2003-12-01). «Воспроизведение: адаптивное значение эндотермии». Американский натуралист . 162 (6): 826–840. DOI : 10.1086 / 380922 . ISSN 0003-0147 . PMID 14737720 . S2CID 15356891 .   
  9. ^ Роберт, Винсент А. и Касадеваль, Артуро (2009). «Эндотермия позвоночных ограничивает большинство грибов как потенциальных патогенов» . Журнал инфекционных болезней . 200 (10): 1623–1626. DOI : 10.1086 / 644642 . PMID 19827944 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  10. ^ a b Hut RA, Kronfeld-Schor N, van der Vinne V, De la Iglesia H (2012). В поисках временной ниши: факторы окружающей среды . Прогресс в исследованиях мозга. 199 . С. 281–304. DOI : 10.1016 / B978-0-444-59427-3.00017-4 . ISBN 9780444594273. PMID  22877672 .
  11. ^ Gerkema, Menno P .; Дэвис, Уэйн Иллинойс; Фостер, Рассел Дж .; Менакер, Майкл; Хижина, Рулоф А. (22.08.2013). «Ночное узкое место и эволюция моделей активности у млекопитающих» . Proc. R. Soc. B . 280 (1765): 20130508. DOI : 10.1098 / rspb.2013.0508 . PMC 3712437 . PMID 23825205 .  
  12. ^ Дэвенпорт, Дж. (1992). Жизнь животных при низкой температуре . Лондон: Чепмен и Холл.
  13. ^ Каммер, AE; Генрих, Б. (1974). «Скорость метаболизма, связанная с мышечной активностью у шмелей» . Журнал экспериментальной биологии . 6 (1): 219–227. PMID 4414648 . 
  14. ^ а б Лайтон, JRB; Лавгроув, Б.Г. (1990). «Температурный переход от диффузионной к конвективной вентиляции у пчелы» . Журнал экспериментальной биологии . 154 (1): 509–516.
  15. ^ a b Kovac, H .; Stabentheiner, A .; Hetz, SK; Petz, M .; Крейлсхайм, К. (2007). «Дыхание отдыхающих пчел» . Журнал физиологии насекомых . 53 (12): 1250–1261. DOI : 10.1016 / j.jinsphys.2007.06.019 . PMC 3227735 . PMID 17707395 .  
  16. ^ Саутвик, EE; Хельдмайер, Г. (1987). «Контроль температуры в семьях медоносных пчел». Биология . 37 (6): 395–399. DOI : 10.2307 / 1310562 . JSTOR 1310562 . 
  17. ^ Stahlschmidt, ZR; ДеНардо, Д.Ф. (2009). «Влияние температуры гнезда на динамику высиживания яиц у детских питонов». Физиология и поведение . 98 (3): 302–306. DOI : 10.1016 / j.physbeh.2009.06.004 . PMID 19538977 . 
  18. ^ a b Виллмер, Пэт; Стоун, Грэм; Джонстон, Ян (2009). Экологическая физиология животных . Вайли. С.  190 . ISBN 9781405107242.
  19. ^ Хамфрис, Мюррей М. (01.11.2010). «Эндотермный метаболизм слишком горяч, чтобы с ним справляться» . Журнал экспериментальной биологии . 213 (21): iv – iv. DOI : 10,1242 / jeb.051300 . ISSN 0022-0949 .