Термическая нейтральная зона
Эндотермные организмы, известные как гомеотермы, поддерживают внутреннюю температуру с минимальной метаболической регуляцией в диапазоне температур окружающей среды, называемом термонейтральной зоной (ТНЗ) . В пределах ТНЗ базальная скорость теплопродукции равна скорости теплоотдачи в окружающую среду. Гомеотермные организмы приспосабливаются к температуре внутри ТНЗ посредством различных реакций, требующих мало энергии.
Температура окружающей среды может вызывать колебания скорости метаболизма гомойотермного организма. Эта реакция обусловлена энергией, необходимой для поддержания относительно постоянной температуры тела выше температуры окружающей среды путем контроля теплопотерь и притока тепла. [1] Степень этой реакции зависит не только от вида, но и от уровня изолирующей и метаболической адаптации. [2] Температура окружающей среды ниже TNZ, нижней критической температуры (LCT), требует от организма увеличения скорости метаболизма для удовлетворения потребностей окружающей среды в тепле. [3] Положение о ТНЗ требует выработки метаболического тепла при достижении LCT, поскольку тепло теряется в окружающую среду. Организм достигает LCT , когда T a (температура окружающей среды) снижается.
Когда организм достигает этой стадии, скорость метаболизма значительно увеличивается, а термогенез увеличивает T b (температуру тела). Если T a продолжает снижаться намного ниже LCT, возникает гипотермия. Альтернативно, потеря тепла за счет испарения для охлаждения происходит, когда достигаются температуры выше TNZ, верхней критической зоны (UCT) (Speakman and Keijer 2013). Когда T a слишком сильно превышает UCT, скорость притока тепла и скорость производства тепла становятся выше, чем скорость рассеивания тепла (потери тепла за счет испарительного охлаждения ), что приводит к гипертермии.
Он может проявлять изменения в позе, когда он меняет форму своего тела или перемещается и подвергает различные области воздействию солнца/тени, а посредством излучения, конвекции и проводимости теплообмен происходит . Вазомоторные реакции позволяют контролировать поток крови между периферией и ядром, чтобы контролировать потерю тепла с поверхности тела. Наконец, организм может внести изменения в изоляцию; Распространенным примером является «мурашка» у людей, когда волосяные фолликулы поднимаются пиломоторными мышцами, что также наблюдается на шерсти и оперении животных. [4]
У людей
[ редактировать ]Термонейтральная зона описывает диапазон температур непосредственной окружающей среды, в котором стандартный здоровый взрослый человек может поддерживать нормальную температуру тела без необходимости использования энергии, превышающей нормальный уровень основного обмена. Она начинается примерно с 21 °C (69,8 °F) для мужчин с нормальным весом и около 18 °C (64,4 °F) для людей с избыточным весом. [5] и простирается примерно до 30 ° C (86,0 ° F). Обратите внимание, что это для отдыхающего человека и не допускает дрожи, потоотделения или физических упражнений. Даже при легкой одежде потери на радиацию и конвекцию резко сокращаются, что эффективно снижает ТНЗ. Следовательно, комфортная температура в отапливаемом здании может составлять 18–22 градуса Цельсия (64,4–71,6 градуса по Фаренгейту). [6] [7]
В состоянии покоя люди производят обязательные 100 Вт (0,13 л.с.) тепловой энергии в качестве побочного продукта основных процессов, таких как перекачивание крови, пищеварение, дыхание, биохимический синтез и катаболизм и т. д. Это сравнимо с обычной лампочкой накаливания. Однако взрослые люди могут производить более 1000 Вт (1,3 л.с.) тепловой энергии во время напряженных физических упражнений. [8] Следовательно, если бы тело было идеально изолировано, внутренняя температура продолжала бы повышаться до тех пор, пока не была бы достигнута смертельная внутренняя температура. И наоборот, мы обычно находимся в среде, которая значительно ниже внутренней температуры тела (37 °C (98,6 °F), что создает градиент потока тепловой энергии от ядра к окружающей среде. Следовательно, организм должен гарантировать, что он также может свести к минимуму потерю тепла примерно до 100 Вт, если он хочет поддерживать внутреннюю температуру. Короче говоря, кожа должна быть в состоянии избавиться от 100 Вт тепла в относительно теплой среде, но также гарантировать, что она не потеряет слишком много тепла в относительно холодной среде.
Внешняя или периферическая оболочка человека (кожа, подкожная жировая клетчатка и т. д.) действует как регулируемый изолятор/излучатель, причем основным механизмом регулирования является приток крови к этому отсеку. Если окружающая среда теплая, потеря тепла меньше, поэтому организм направляет больше крови на периферию, чтобы поддерживать градиент потока энергии. И наоборот, если окружающая среда прохладная, приток крови к коже может быть значительно снижен, поэтому потери тепла значительно уменьшаются.
Эти пассивные процессы определяют ТНЗ, так как для перенаправления крови к периферии или ядру совершается незначительная работа.
Физиологические механизмы:
Кожа обладает огромной способностью принимать кровоток, что составляет от 1 мл/100 г кожи/мин до 150 мл/100 г/мин. Его метаболические потребности очень низкие, и, следовательно, ему требуется лишь очень небольшая часть сердечного выброса для поддержания собственного роста и метаболизма. В условиях умеренного климата приток крови к коже значительно выше, чем требуется для обмена веществ, определяющим фактором является потребность организма в избавлении от тепла. Фактически, кожа может выживать в течение длительных периодов времени (часов) при субфизиологическом кровотоке и оксигенации, и, пока за этим следует период хорошей перфузии, некроза не произойдет.
В условиях умеренного климата есть возможность резко увеличить или уменьшить приток крови к коже. Это достигается за счет особого расположения сосудистых руслов кожи. Имеется значительное количество дополнительных сосудов, особенно на конечностях с большой площадью поверхности (кисти, уши, пальцы ног и т. д.). Это прямые связи между артерией и веной, которые минуют питающие капилляры и контролируются симпатической нервной системой. Эти шунты обычно в основном закрыты, но их открытие позволяет коже наполниться кровью, а поскольку эти сосуды имеют низкое сопротивление, кровоток через них быстрый. И наоборот, когда кровоснабжение кожи должно быть уменьшено, эти шунты могут закрыться, и, кроме того, нормальный механизм вазоконстрикции артериол может резко снизить перфузию кожи.
По видам
[ редактировать ]У разных видов разные температуры термонейтральных зон.
У собак термонейтральная зона колеблется в пределах 20–30 °C (68–86 °F). [9]
У лошадей нижняя критическая температура составляет 5 °C, тогда как верхняя критическая температура зависит от используемого определения. [10] Их термонейтральная зона составляет примерно 5–30 ° C (41–86 ° F). [11]
У мышей нижняя критическая температура и верхняя критическая температура могут быть одинаковыми, создавая термонейтральную точку вместо термонейтральной зоны. Эта точка меняется в течение дня в зависимости от того, находится ли мышь в активной темной фазе (33 ° C) или в фазе покоя (29 ° C). [12]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рориг, Брайан (октябрь 2013 г.). «Расслабляемся, согреваемся: как животные переживают экстремальные температуры» . Американское химическое общество . Проверено 26 апреля 2018 г.
- ^ Маунт, Ю.Л. (сентябрь 1971 г.). «Скорость обмена веществ и теплоизоляция у альбиносов и бесшерстных мышей» . Журнал физиологии . 217 (2): 315–326. doi : 10.1113/jphysicalol.1971.sp009573 . ПМЦ 1331779 . ПМИД 5097602 .
- ^ Расмуссен и Брандер (1972). «Стандартная скорость обмена веществ и нижняя критическая температура для рябчика» (PDF) . Архив орнитологических исследований с возможностью поиска . Проверено 26 апреля 2018 г.
- ^ Д. Рэндалл, В. Бурггрен, К. Френч. Эккерт , физиология животных , 2001 г., WH Freeman.
- ^ Нахон, К.Дж.; Бун, MR; Дорнинк, Ф; Жазет, И.М.; Ренсен, PCN; Абреу-Виейра, Г. (октябрь 2017 г.). «Нижняя критическая температура и термогенез, вызванный холодом, у худых и полных людей обратно пропорциональны массе тела и скорости основного обмена». Журнал термической биологии . 69 : 238–248. дои : 10.1016/j.jtherbio.2017.08.006 . ПМИД 29037389 .
- ^ Кингма, Фрайнс, Шеллен, ван Маркен Лихтенбелт (8 июня 2014 г.). «За пределами классической термонейтральной зоны» . Температура . 2 (1): 142–149. дои : 10.4161/temp.29702 . ПМЦ 4977175 . ПМИД 27583296 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Кингма, Фрийнс, ван Маркен Лихтенбелт (2012). «Термонейтральная зона: значение для метаболических исследований». Границы бионауки . Е4 (5): 1975–1985. дои : 10.2741/E518 . ПМИД 22202013 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Глисон М. «Регулирование температуры во время тренировки». Int J Sports Med. 19 июня 1998 г., Приложение 2: S96-9. два : 10.1055/s-2007-971967
- ^ Мэри Джордан; Эми Э. Бауэр; Джудит Л. Стелла; Кэндис Крони. «Температурные требования для собак» (PDF) . Расширение Пердью . Проверено 21 февраля 2021 г.
- ^ Морган, К. (1998). «Термонейтральная зона и критические температуры лошадей». Журнал термической биологии . 23 (1): 59–61. дои : 10.1016/S0306-4565(97)00047-8 .
- ^ «Укрытие лошадей: что можно и чего нельзя» . Британский колледж сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды . Проверено 21 февраля 2021 г.
- ^ Шкоп, В; Го, Дж; Лю, Н; Сяо, К; Холл, К.Д.; Гаврилова О; Рейтман, МЛ (2020). «Терморегуляция мыши: введение в понятие термонейтральной точки» . Отчеты по ячейкам . 31 (2): 107501. doi : 10.1016/j.celrep.2020.03.065 . ПМЦ 7243168 . ПМИД 32294435 .