Điều hòa nhiệt độ và Năng lượng
Cách động vật quản lý nhiệt độ cơ thể và dòng năng lượng đi qua cơ thể chúng, từ động vật biến nhiệt theo môi trường đến động vật nội nhiệt đốt cháy nhiên liệu để giữ ấm.
Definition
Điều hòa nhiệt độ là sự kiểm soát nhiệt độ cơ thể thông qua sự cân bằng giữa sản xuất nhiệt và trao đổi nhiệt với môi trường, và năng lượng học là nghiên cứu về cách động vật thu nhận, biến đổi và tiêu hao năng lượng, bao gồm tốc độ trao đổi chất và sự phụ thuộc của nó vào kích thước cơ thể, nhiệt độ và hoạt động.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm sinh lý học so sánh về nhiệt độ và năng lượng: sự tương phản giữa biến nhiệt và nội nhiệt cùng với chi phí và lợi ích của từng loại; phép đo và tỷ lệ trao đổi chất theo kích thước cơ thể; cách động vật thích nghi và điều hòa với nhiệt độ; và các trạng thái tiết kiệm năng lượng như ngủ đông và ngủ hè. Nó đề cập đến sự trao đổi nhiệt, ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh học và ngân sách năng lượng liên kết các quá trình này. Phạm vi bao gồm so sánh và cơ chế hơn là lâm sàng.
Sub-topics
Core questions
- Động vật biến nhiệt và động vật nội nhiệt khác nhau như thế nào trong việc điều hòa nhiệt độ cơ thể, và mỗi chiến lược tốn kém như thế nào?
- Tốc độ trao đổi chất tỷ lệ với kích thước cơ thể như thế nào và tại sao?
- Động vật điều chỉnh như thế nào với sự khác biệt về nhiệt độ theo mùa và địa lý?
- Ngủ đông và ngủ hè tiết kiệm năng lượng như thế nào khi điều kiện khắc nghiệt?
Key theories
- Tỷ lệ dị hình của tốc độ trao đổi chất
- Tốc độ trao đổi chất toàn cơ thể tăng theo khối lượng cơ thể nhưng ít hơn tỷ lệ thuận, tuân theo quy luật lũy thừa dị hình sao cho động vật lớn hơn có tốc độ trao đổi chất riêng theo khối lượng thấp hơn, một mối quan hệ trung tâm trong năng lượng học so sánh.
- Cân bằng nhiệt và vùng nhiệt trung tính
- Nhiệt độ cơ thể của động vật phản ánh sự cân bằng giữa sản xuất nhiệt trao đổi chất và trao đổi nhiệt với môi trường bằng dẫn truyền, đối lưu, bức xạ và bay hơi, và động vật nội nhiệt duy trì nhiệt độ ổn định một cách rẻ nhất trong phạm vi nhiệt độ môi trường trung tính.
Mechanisms
Nhiệt độ cơ thể được thiết lập bởi sự cân bằng giữa nhiệt tạo ra từ quá trình trao đổi chất và nhiệt trao đổi với môi trường thông qua dẫn truyền, đối lưu, bức xạ và bay hơi. Động vật biến nhiệt có tốc độ trao đổi chất thấp và điều hòa nhiệt độ chủ yếu bằng hành vi, khai thác các nguồn nhiệt bên ngoài, trong khi động vật nội nhiệt tạo ra nhiều nhiệt trao đổi chất và duy trì nhiệt độ ổn định bằng cách sử dụng cách nhiệt, kiểm soát vận mạch, run rẩy và sinh nhiệt không run rẩy, và làm mát bằng bay hơi. Vì diện tích bề mặt tỷ lệ khác với thể tích, kích thước cơ thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự trao đổi nhiệt và tốc độ trao đổi chất, tuân theo quy luật lũy thừa dị hình. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tất cả các tốc độ sinh học, và động vật bù đắp thông qua sự điều hòa và sử dụng bộ trao đổi nhiệt ngược dòng. Khi năng lượng hoặc nhiệt khan hiếm, nhiều động vật đi vào trạng thái trao đổi chất thấp được điều hòa như ngủ đông hàng ngày hoặc ngủ đông theo mùa, cắt giảm đáng kể việc sử dụng năng lượng.
Clinical relevance
Sinh lý học nhiệt và trao đổi chất so sánh làm sáng tỏ các phản ứng với lạnh, nóng, nhịn ăn và tập thể dục cũng như các nguyên tắc về tỷ lệ trao đổi chất làm nền tảng cho các lĩnh vực từ sinh thái học đến nghiên cứu về tiêu hao năng lượng của con người. Mục này mang tính giáo dục và không cung cấp hướng dẫn y tế.
History
Việc Kleiber thiết lập tỷ lệ trao đổi chất theo khối lượng cơ thể và các nghiên cứu của Scholander về cách nhiệt và trao đổi nhiệt ở động vật vùng Bắc Cực và nhiệt đới đã đặt nền móng cho năng lượng học so sánh và sinh lý học nhiệt. Schmidt-Nielsen đã tổng hợp lĩnh vực này, liên hệ điều hòa nhiệt độ và sử dụng năng lượng với kích thước cơ thể và môi trường.
Key figures
- Knut Schmidt-Nielsen
- Max Kleiber
- Per Scholander
- Charles Richard Taylor
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1984
- schmidtnielsen1997
- hill2016
Frequently asked questions
- Sự khác biệt giữa động vật biến nhiệt và động vật nội nhiệt là gì?
- Động vật biến nhiệt chủ yếu dựa vào nhiệt bên ngoài và hành vi để thiết lập nhiệt độ cơ thể của chúng, trong khi động vật nội nhiệt tạo ra đủ nhiệt trao đổi chất để duy trì nhiệt độ cao, ổn định phần lớn độc lập với môi trường.
- Tại sao động vật nhỏ ăn nhiều so với kích thước của chúng?
- Tốc độ trao đổi chất riêng theo khối lượng cao hơn ở động vật nhỏ hơn, một phần vì chúng mất nhiệt nhanh hơn qua diện tích bề mặt tương đối lớn của chúng, vì vậy chúng phải tiêu thụ nhiều năng lượng hơn trên mỗi gam trọng lượng cơ thể.