การเป็นสัตว์เลือดอุ่นและการเป็นสัตว์เลือดเย็น

สองกลยุทธ์หลักในการกำหนดอุณหภูมิร่างกาย: การสร้างความร้อนเองและรักษาระดับความอบอุ่นให้คงที่ หรือการปล่อยให้สิ่งแวดล้อมและพฤติกรรมเป็นตัวควบคุม

Definition

การเป็นสัตว์เลือดอุ่น (endothermy) คือการรักษาระดับอุณหภูมิร่างกายโดยอาศัยความร้อนจากการเผาผลาญที่สร้างขึ้นภายในเป็นหลัก ในขณะที่การเป็นสัตว์เลือดเย็น (ectothermy) คือการพึ่งพาแหล่งความร้อนภายนอกและพฤติกรรมในการกำหนดอุณหภูมิร่างกาย โดยคำศัพท์เหล่านี้อธิบายถึงแหล่งที่มาของความร้อนมากกว่าการควบคุมอุณหภูมิ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมสรีรวิทยาของกลยุทธ์หลักในการควบคุมอุณหภูมิร่างกาย: การเป็นสัตว์เลือดเย็น (ectothermy) ซึ่งอุณหภูมิร่างกายส่วนใหญ่เป็นไปตามสิ่งแวดล้อมและมีการปรับเปลี่ยนพฤติกรรม และการเป็นสัตว์เลือดอุ่น (endothermy) ซึ่งการผลิตความร้อนจากการเผาผลาญในระดับสูงช่วยรักษาอุณหภูมิให้คงที่และมักจะสูง เนื้อหาจะกล่าวถึงเส้นทางของการแลกเปลี่ยนความร้อน กลไกที่สัตว์เลือดอุ่นใช้ในการผลิตและรักษาความร้อน เขตอุณหภูมิสบาย (thermoneutral zone) กลยุทธ์ระดับกลางและระดับภูมิภาค เช่น การเป็นสัตว์ที่มีอุณหภูมิร่างกายไม่คงที่ (heterothermy) รวมถึงต้นทุนและประโยชน์ของแต่ละกลยุทธ์ การครอบคลุมเนื้อหาเป็นการเปรียบเทียบและเชิงกลไก

Core questions

• สัตว์ได้รับและสูญเสียความร้อนด้วยวิธีใดบ้าง?
• สัตว์เลือดอุ่นสร้างและรักษาความร้อนให้เพียงพอเพื่อให้อบอุ่นได้อย่างไร?
• สัตว์เลือดเย็นควบคุมอุณหภูมิของพวกมันได้อย่างไรโดยไม่ต้องใช้ความร้อนจากการเผาผลาญสูง?
• ต้นทุนด้านพลังงานและประโยชน์ทางนิเวศวิทยาของการเป็นสัตว์เลือดอุ่นเทียบกับการเป็นสัตว์เลือดเย็นคืออะไร?

Key theories

สมการสมดุลความร้อน

อุณหภูมิของสัตว์เปลี่ยนแปลงไปตามผลรวมสุทธิของการผลิตความร้อนจากการเผาผลาญและการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมโดยการนำความร้อน การพาความร้อน การแผ่รังสี และการระเหย ดังนั้นการควบคุมอุณหภูมิร่างกายจึงเป็นการจัดการปัจจัยเหล่านี้

เขตอุณหภูมิสบายในสัตว์เลือดอุ่น

ภายในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมหนึ่งๆ สัตว์เลือดอุ่นสามารถรักษาอุณหภูมิร่างกายให้คงที่ได้โดยการปรับฉนวนและการไหลเวียนของเลือดโดยไม่ต้องผลิตความร้อนเพิ่มเติม และนอกเขตอุณหภูมิสบายนี้เท่านั้นที่สัตว์จะต้องเพิ่มการเผาผลาญหรือการระบายความร้อนด้วยการระเหย

Mechanisms

ความร้อนเคลื่อนที่ระหว่างสัตว์กับสิ่งแวดล้อมโดยการนำความร้อน (conduction) การพาความร้อน (convection) การแผ่รังสี (radiation) และการระเหย (evaporation) และอุณหภูมิร่างกายสะท้อนถึงความสมดุลของสิ่งเหล่านี้กับความร้อนจากการเผาผลาญ สัตว์เลือดเย็นมีการเผาผลาญขณะพักต่ำและปรับอุณหภูมิด้วยพฤติกรรม เช่น การอาบแดด การหาที่ร่ม การเปลี่ยนท่าทาง และทางสรีรวิทยาโดยการปรับการไหลเวียนของเลือดและสีผิว สัตว์เลือดอุ่นผลิตความร้อนได้มากจากอัตราการเผาผลาญที่สูง รักษาความร้อนไว้ด้วยฉนวน เช่น ขน ขนปีก และไขมัน และควบคุมการสูญเสียความร้อนผ่านการควบคุมหลอดเลือด (vasomotor control) ในสภาพอากาศหนาวเย็น สัตว์เลือดอุ่นจะเพิ่มการผลิตความร้อนโดยการสั่น (shivering) และในบางชนิดมีการสร้างความร้อนโดยไม่สั่น (non-shivering thermogenesis) ในไขมันสีน้ำตาล (brown fat) ในขณะที่ในสภาพอากาศร้อนจะระบายความร้อนออกโดยการหอบ การขับเหงื่อ หรือวิธีการระเหยอื่นๆ ภายในเขตอุณหภูมิสบาย (thermoneutral zone) การปรับเปลี่ยนเหล่านี้เพียงพอโดยไม่มีค่าใช้จ่ายด้านการเผาผลาญเพิ่มเติม สัตว์หลายชนิดเป็นสัตว์ที่มีอุณหภูมิร่างกายไม่คงที่ (heterotherms) โดยผสมผสานกลยุทธ์ในเวลาหรือในส่วนต่างๆ ของร่างกาย เช่น การทำให้อุ่นเฉพาะกล้ามเนื้อที่ใช้ในการบินหรือสมอง

Clinical relevance

สรีรวิทยาความร้อนเชิงเปรียบเทียบให้ความกระจ่างเกี่ยวกับการตอบสนองต่อความเครียดจากความเย็นและความร้อน บทบาทของไขมันสีน้ำตาลในการสร้างความร้อน และผลที่ตามมาของไข้และภาวะอุณหภูมิร่างกายต่ำกว่าปกติ (hypothermia) ข้อมูลนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

การศึกษาของ Scholander และ Irving เกี่ยวกับฉนวนและการแลกเปลี่ยนความร้อนในสัตว์แถบอาร์กติกและเขตร้อนได้วัดปริมาณว่าสัตว์เลือดอุ่นรักษาความร้อนได้อย่างไร และ Bartholomew และคณะได้สำรวจความหลากหลายของพฤติกรรมการควบคุมอุณหภูมิในสัตว์เลือดเย็นและสัตว์ที่มีอุณหภูมิร่างกายไม่คงที่ ซึ่งเป็นการวางรากฐานสรีรวิทยาเชิงเปรียบเทียบของอุณหภูมิร่างกาย

Key figures

• Knut Schmidt-Nielsen
• Per Scholander
• George Bartholomew
• Laurence Irving

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

สัตว์ 'เลือดเย็น' เย็นอยู่เสมอหรือไม่?

ไม่ สัตว์เลือดเย็นหลายชนิดรักษาร่างกายให้อบอุ่นได้ค่อนข้างดีโดยการอาบแดดและเลือกแหล่งที่อยู่อาศัยขนาดเล็กที่อบอุ่น คำว่า 'เลือดเย็น' เพียงแค่หมายความว่าความร้อนของพวกมันส่วนใหญ่มาจากสิ่งแวดล้อมมากกว่าจากการเผาผลาญของพวกมันเอง

ทำไมการเป็นสัตว์เลือดอุ่นจึงต้องใช้พลังงานมาก?

การรักษาอุณหภูมิร่างกายให้สูงและคงที่ต้องอาศัยการผลิตความร้อนอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นสัตว์เลือดอุ่นจึงต้องกินอาหารมากกว่าสัตว์เลือดเย็นที่มีขนาดใกล้เคียงกันมาก เพื่อเป็นเชื้อเพลิงในการผลิตความร้อนอย่างต่อเนื่องนั้น