Терморегуляция и энергетика

Как животные управляют температурой тела и потоком энергии через свой организм, от эктотермов, которые приспосабливаются к окружающей среде, до эндотермов, которые сжигают топливо, чтобы оставаться в тепле.

Definition

Терморегуляция — это контроль температуры тела посредством баланса теплопродукции и теплообмена с окружающей средой, а энергетика — это изучение того, как животные получают, преобразуют и расходуют энергию, включая скорость метаболизма и ее зависимость от размера тела, температуры и активности.

Scope

Эта область охватывает сравнительную физиологию температуры и энергии: контраст между эктотермией и эндотермией, а также затраты и преимущества каждой стратегии; измерение и масштабирование скорости метаболизма в зависимости от размера тела; способы адаптации и акклиматизации животных к температуре; и энергосберегающие состояния, такие как оцепенение и спячка. Она рассматривает теплообмен, влияние температуры на биологические процессы и энергетические бюджеты, которые связывают эти процессы. Охват является сравнительным и механистическим, а не клиническим.

Sub-topics

• Dormancy, Torpor, and Hibernation
• Endothermy and Ectothermy
• Metabolic Rate and Scaling
• Temperature Adaptation and Acclimatization

Core questions

• Чем эктотермы и эндотермы отличаются в регуляции температуры тела, и какова цена каждой стратегии?
• Как скорость метаболизма масштабируется с размером тела и почему?
• Как животные приспосабливаются к сезонным и географическим различиям в температуре?
• Как оцепенение и спячка экономят энергию в суровых условиях?

Key theories

Аллометрическое масштабирование скорости метаболизма

Скорость метаболизма всего организма увеличивается с массой тела, но менее пропорционально, следуя аллометрическому степенному закону, так что более крупные животные имеют более низкие массово-специфические скорости метаболизма, что является центральным отношением в сравнительной энергетике.

Тепловой баланс и термонейтральная зона

Температура тела животного отражает баланс метаболической теплопродукции и теплообмена с окружающей средой посредством теплопроводности, конвекции, излучения и испарения, и эндотермы поддерживают стабильную температуру наиболее экономично в пределах термонейтрального диапазона температур окружающей среды.

Mechanisms

Температура тела устанавливается балансом между теплом, вырабатываемым метаболизмом, и теплом, обмениваемым с окружающей средой посредством теплопроводности, конвекции, излучения и испарения. Эктотермы имеют низкую скорость метаболизма и регулируют температуру в основном поведенчески, используя внешние источники тепла, в то время как эндотермы производят обильное метаболическое тепло и поддерживают стабильную температуру, используя изоляцию, вазомоторный контроль, дрожь и несократительный термогенез, а также испарительное охлаждение. Поскольку площадь поверхности масштабируется иначе, чем объем, размер тела сильно влияет на теплообмен и скорость метаболизма, которая подчиняется аллометрическому степенному закону. Температура влияет на все биологические процессы, и животные компенсируют это посредством акклиматизации и использования противоточных теплообменников. Когда энергии или тепла мало, многие животные переходят в регулируемые состояния с низким метаболизмом, такие как суточное оцепенение или сезонная спячка, резко сокращая потребление энергии.

Clinical relevance

Сравнительная термическая и метаболическая физиология освещает реакции на холод, жару, голодание и физические нагрузки, а также принципы метаболического масштабирования, которые лежат в основе различных областей, от экологии до изучения расхода энергии человеком. Эта статья носит образовательный характер и не предоставляет медицинских рекомендаций.

History

Установление Клейбером масштабирования скорости метаболизма в зависимости от массы тела и исследования Шоландера по изоляции и теплообмену у арктических и тропических животных заложили основы сравнительной энергетики и термической физиологии. Шмидт-Нильсен синтезировал эту область, связав терморегуляцию и потребление энергии с размером тела и окружающей средой.

Key figures

• Knut Schmidt-Nielsen
• Max Kleiber
• Per Scholander
• Charles Richard Taylor

Seminal works

• schmidtnielsen1984
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

В чем разница между эктотермом и эндотермом?

Эктотермы в основном полагаются на внешнее тепло и поведение для установления температуры своего тела, тогда как эндотермы производят достаточно метаболического тепла для поддержания высокой, стабильной температуры, в значительной степени независимой от окружающей среды.

Почему мелкие животные едят так много относительно своего размера?

Массово-специфическая скорость метаболизма выше у мелких животных, отчасти потому, что они быстрее теряют тепло через свою относительно большую площадь поверхности, поэтому им приходится потреблять больше энергии на грамм массы тела.