THERMOREGULATIE: FYSIOLOGIE, MECHANISMEN, TYPEN EN VERANDERINGEN - BIOLOGIE - 2026

De thermoregulatie is het proces waarmee organismen hun lichaamstemperatuur kunnen regelen, waardoor warmteverlies en -winst worden gemoduleerd. In het dierenrijk zijn er verschillende mechanismen om de temperatuur te reguleren, zowel fysiologisch als ethologisch.

Het reguleren van de lichaamstemperatuur is een basisactiviteit voor elk levend wezen, omdat de parameter cruciaal is voor de homeostase van het lichaam en onder andere de functionaliteit van enzymen en andere eiwitten, de vloeibaarheid van het membraan en de ionenstroom beïnvloedt. .

Zoogdieren zijn homeotherm en endotherm. Bron: Alan Wilson

In de eenvoudigste vorm worden thermoregulatienetwerken geactiveerd door middel van een circuit dat de ingangen van thermoreceptoren in de huid, in de ingewanden, in de hersenen onder andere integreert.

De belangrijkste mechanismen voor deze warme of koude stimuli zijn onder meer cutane vasoconstrictie, vasodilatatie, warmteproductie (thermogenese) en zweten. Andere mechanismen zijn onder meer gedrag om warmteverlies te bevorderen of te verminderen.

Basics: warmte en temperatuur

Om over thermoregulatie bij dieren te praten, is het noodzakelijk om de exacte definitie te kennen van termen die bij studenten vaak verwarrend zijn.

Het verschil tussen warmte en temperatuur begrijpen is essentieel om de thermische regulatie van dieren te begrijpen. We zullen levenloze lichamen gebruiken om het verschil te illustreren: laten we denken aan twee kubussen van een metaal, de ene is 10 keer groter dan de andere.

Elk van deze blokjes staat in een kamer met een temperatuur van 25 ° C. Als we de temperatuur van elk blok meten, zullen beide op 25 ° C zijn, hoewel het ene groot is en het andere klein.

Als we nu de hoeveelheid warmte in elk blok meten, zal het resultaat tussen de twee anders zijn. Om deze taak uit te voeren, moeten we de blokken naar een kamer met een temperatuur van het absolute nulpunt verplaatsen en de hoeveelheid warmte die ze afgeven kwantificeren. In dit geval zal de warmte-inhoud 10 keer hoger zijn in de grootste metalen kubus.

Temperatuur

Dankzij het vorige voorbeeld kunnen we concluderen dat de temperatuur voor beide hetzelfde is en onafhankelijk van de hoeveelheid materie in elk blok. De temperatuur wordt gemeten als de snelheid of intensiteit van beweging van de moleculen.

Als de auteurs in de biologische literatuur 'lichaamstemperatuur' noemen, verwijzen ze naar de temperatuur van de centrale en perifere delen van het lichaam. De temperatuur van de kerngebieden weerspiegelt de temperatuur van de "diepe" weefsels van het lichaam - hersenen, hart en lever.

De temperatuur van de perifere gebieden wordt op zijn beurt beïnvloed door de doorgang van bloed naar de huid en wordt gemeten op de huid van handen en voeten.

Heet

In tegenstelling - en teruggaand naar het voorbeeld van blokken - is warmte verschillend in zowel inerte lichamen als recht evenredig met de hoeveelheid materie. Het is een vorm van energie en hangt af van het aantal atomen en moleculen van de betreffende stof.

Typen: thermische relaties tussen dieren

In de dierfysiologie zijn er een aantal termen en categorieën die worden gebruikt om de thermische relaties tussen organismen te beschrijven. Elk van deze diergroepen heeft speciale aanpassingen - fysiologisch, anatomisch of anatomisch - die hen helpen hun lichaamstemperatuur binnen een geschikt bereik te houden.

In het dagelijks leven noemen we endotherme en homeotherme dieren 'warmbloedige' en poikilotherme en ectotherme dieren 'koelbloedige'.

Endotherm en ectotherm

De eerste term is endothermie, die wordt gebruikt wanneer het dier zich kan opwarmen door de metabolische productie van warmte te bemiddelen. Het tegenovergestelde concept is ectothermie, waarbij de temperatuur van het dier wordt bepaald door de omgeving.

Sommige dieren zijn niet in staat endotherm te zijn, want hoewel ze warmte produceren, doen ze het niet snel genoeg om het vast te houden.

Poikilothermisch en homeotherm

Een andere manier om ze te classificeren is volgens de thermoregulatie van het dier. De term poikilotherm wordt gebruikt om te verwijzen naar dieren met verschillende lichaamstemperaturen. In deze gevallen is de lichaamstemperatuur hoog in warme omgevingen en laag in koude omgevingen.

Een poikilothermisch dier kan zijn temperatuur zelf reguleren door middel van gedrag. Dat wil zeggen door te lokaliseren in gebieden met hoge zonnestraling om de temperatuur te verhogen of te verbergen voor genoemde straling om deze te verlagen.

De termen poikilotherm en ectotherm verwijzen in wezen naar hetzelfde fenomeen. Poikilotherm benadrukt echter de variabiliteit van de lichaamstemperatuur, terwijl ectotherm verwijst naar het belang van de omgevingstemperatuur bij het bepalen van de lichaamstemperatuur.

De tegenovergestelde term voor poikilotherm is homeotherm: thermoregulatie door fysiologische middelen - en niet alleen dankzij het vertonen van gedrag. De meeste endotherme dieren zijn in staat hun temperatuur te regelen.

Voorbeelden

Vissen

Vissen zijn het perfecte voorbeeld van ectotherme en poikilotherme dieren. In het geval van deze zwemmende gewervelde dieren produceren hun weefsels geen warmte via metabole routes en bovendien wordt de temperatuur van de vissen bepaald door de temperatuur van het waterlichaam waarin ze zwemmen.

Reptielen

Reptielen vertonen zeer uitgesproken gedrag waardoor ze (ethologisch) hun temperatuur kunnen reguleren. Deze dieren zoeken warme streken op - zoals neerstrijken op een hete steen - om de temperatuur te verhogen. Anders, waar ze het willen verminderen, zullen ze proberen zich te verbergen voor straling.

Vogels en zoogdieren

Zoogdieren en vogels zijn voorbeelden van endotherme en homeotherme dieren. Ze produceren metabolisch uw lichaamstemperatuur en reguleren deze fysiologisch. Sommige insecten vertonen ook dit fysiologische patroon.

Het vermogen om hun temperatuur te reguleren gaf deze twee dierlijke lijnen een voordeel ten opzichte van hun poikilotherme tegenhangers, omdat ze een thermisch evenwicht in hun cellen en organen kunnen bewerkstelligen. Dit leidde ertoe dat de processen van voeding, metabolisme en uitscheiding robuuster en efficiënter werden.

Mensen houden hun temperatuur bijvoorbeeld op 37 ° C, binnen een vrij smal bereik - tussen 33,2 en 38,2 ° C. Het behoud van deze parameter is absoluut cruciaal voor het voortbestaan ​​van de soort en bemiddelt een reeks fysiologische processen in het lichaam.

Ruimtelijke en temporele afwisseling van endothermie en ectothermie

Het onderscheid tussen deze vier categorieën wordt vaak verward wanneer we gevallen onderzoeken van dieren die in staat zijn om tussen de categorieën te wisselen, zowel ruimtelijk als tijdelijk.

Temporele variatie in thermische regulatie kan worden geïllustreerd met zoogdieren die perioden van winterslaap doormaken. Deze dieren zijn over het algemeen homeotherm in de periodes van het jaar waarin ze niet in winterslaap zijn en tijdens de winterslaap hun lichaamstemperatuur niet kunnen regelen.

Ruimtelijke variatie treedt op wanneer het dier de temperatuur in lichaamsregio's differentieel regelt. Hommels en andere insecten kunnen de temperatuur van hun thoracale segmenten reguleren en kunnen de rest van de regio's niet reguleren. Deze toestand van differentiële regulering wordt heterothermie genoemd.

Fysiologie van thermoregulatie

Zoals elk systeem vereist de fysiologische regulering van de lichaamstemperatuur de aanwezigheid van een afferent systeem, een controlecentrum en een efferent systeem.

Het eerste systeem, het afferente, is verantwoordelijk voor het vastleggen van informatie via huidreceptoren. Vervolgens wordt de informatie via de neurale route door het bloed naar het thermoregulerende centrum gestuurd.

Onder normale omstandigheden zijn de lichaamsorganen die warmte genereren het hart en de lever. Wanneer het lichaam lichamelijk werk (lichaamsbeweging) doet, is de skeletspier ook een warmtegenererende structuur.

De hypothalamus is het thermoregulerende centrum en de taken zijn onderverdeeld in warmteverlies en warmtetoename. De functionele zone die het behoud van warmte bemiddelt, bevindt zich in de posterieure zone van de hypothalamus, terwijl het verlies wordt gemedieerd door de anterieure regio. Dit orgel werkt als een thermostaat.

Controle van het systeem gebeurt op twee manieren: positief en negatief, gemedieerd door de cortex van de hersenen. Effectorreacties zijn van het gedragstype of worden gemedieerd door het autonome zenuwstelsel. Deze twee mechanismen zullen later worden bestudeerd.

Thermoregulerende mechanismen

Fysiologische mechanismen

De mechanismen voor het reguleren van de temperatuur variëren naargelang het type stimulus dat wordt ontvangen, dat wil zeggen of het nu een verhoging of verlaging van de temperatuur is. We zullen deze parameter dus gebruiken om een ​​classificatie van de mechanismen vast te stellen:

Regeling voor hoge temperaturen

Om de lichaamstemperatuur te reguleren in het licht van warmtestimuli, moet het lichaam het verlies ervan bevorderen. Er zijn verschillende mechanismen:

Vasodilatatie

Bij mensen is een van de meest opvallende kenmerken van de huidcirculatie het brede scala aan bloedvaten dat het heeft. De bloedcirculatie door de huid heeft de eigenschap enorm te variëren afhankelijk van omgevingsfactoren en te veranderen van hoge naar lage doorbloeding.

Het vermogen van vasodilatatie is cruciaal bij de thermoregulatie van individuen. De verhoogde bloedstroom tijdens perioden van verhoogde temperatuur stelt het lichaam in staat om de overdracht van warmte, van de kern van het lichaam naar het huidoppervlak, te vergroten om uiteindelijk te worden afgevoerd.

Wanneer de bloedstroom wordt verhoogd, neemt het huidbloedvolume op zijn beurt toe. Zo wordt een grotere hoeveelheid bloed van de kern van het lichaam naar het huidoppervlak overgebracht, waar warmteoverdracht plaatsvindt. Het nu koudere bloed wordt teruggevoerd naar de kern of het centrum van het lichaam.

Zweet

Naast vasodilatatie is zweetproductie cruciaal voor thermoregulatie, omdat het overtollige warmte helpt af te voeren. In feite zijn de productie en de daaropvolgende verdamping van zweet de belangrijkste mechanismen van het lichaam om warmte te verliezen. Ze werken ook tijdens lichamelijke activiteit.

Zweet is een vloeistof die wordt geproduceerd door zweetklieren, eccrien genaamd, die in een aanzienlijke dichtheid door het lichaam wordt verdeeld.De verdamping van zweet slaagt erin om warmte als waterdamp van het lichaam naar de omgeving over te brengen.

Regeling voor lage temperaturen

In tegenstelling tot de mechanismen die in de vorige paragraaf zijn genoemd, moet het lichaam in situaties van temperatuurdaling het behoud en de productie van warmte op de volgende manier bevorderen:

Vasoconstrictie

Dit systeem volgt de tegenovergestelde logica die wordt beschreven bij vaatverwijding, dus we zullen niet veel uitweiden over de uitleg. De kou stimuleert de samentrekking van de huidvaten, waardoor warmteafvoer wordt voorkomen.

Piloerectie

Heb je je ooit afgevraagd waarom er kippenvel ontstaat als we voor lage temperaturen staan? Het is een mechanisme om warmteverlies te voorkomen dat piloerectie wordt genoemd. Omdat mensen echter relatief weinig haar op ons lichaam hebben, wordt het als een ineffectief en rudimentair systeem beschouwd.

Wanneer de verhoging van elk haar optreedt, wordt de luchtlaag die in contact komt met de huid vergroot, waardoor de convectie van de lucht afneemt. Dit vermindert warmteverlies.

Warmte productie

De meest intuïtieve manier om lage temperaturen tegen te gaan, is door warmte te produceren. Dit kan op twee manieren gebeuren: door te rillen en niet door thermogenese te rillen.

In het eerste geval produceert het lichaam snelle en onvrijwillige spiersamentrekkingen (daarom huiver je als je het koud hebt) die leiden tot de productie van warmte. De productie van rillingen is - energetisch gezien - duur, dus het lichaam zal erop terugvallen als de bovengenoemde systemen falen.

Het tweede mechanisme wordt aangestuurd door een weefsel dat bruin vet wordt genoemd (of bruin vetweefsel, in de Engelse literatuur wordt het gewoonlijk samengevat onder het acroniem van BAT voor bruin vetweefsel).

Dit systeem is verantwoordelijk voor het ontkoppelen van de energieproductie in het metabolisme: in plaats van ATP te vormen, leidt het tot de productie van warmte. Het is een bijzonder belangrijk mechanisme bij kinderen en kleine zoogdieren, hoewel recenter bewijs heeft aangetoond dat het ook relevant is bij volwassenen.

Ethologische mechanismen

Ethologische mechanismen bestaan ​​uit al het gedrag dat dieren vertonen om hun temperatuur te reguleren. Zoals we in het voorbeeld van reptielen al zeiden, kunnen organismen in de juiste omgeving worden geplaatst om warmteverlies te bevorderen of te voorkomen.

Bij het verwerken van deze reactie zijn verschillende delen van de hersenen betrokken. Bij mensen zijn deze gedragingen effectief, hoewel ze niet nauwkeurig gereguleerd zijn zoals de fysiologische.

Thermoregulatiestoornissen

Het lichaam ervaart gedurende de dag kleine en delicate temperatuurveranderingen, afhankelijk van enkele variabelen, zoals het circadiane ritme, de hormonale cyclus en andere fysiologische aspecten.

Zoals we al zeiden, orkestreert lichaamstemperatuur een enorm scala aan fysiologische processen en het verlies van regulering ervan kan leiden tot verwoestende omstandigheden in het aangetaste organisme.

Beide thermische extremen - zowel hoog als laag - hebben een negatief effect op organismen. Zeer hoge temperaturen, boven 42 ° C bij mensen, hebben een zeer duidelijk effect op eiwitten en bevorderen hun denaturatie. Ook wordt de DNA-synthese beïnvloed. Organen en neuronen zijn ook beschadigd.

Evenzo leiden temperaturen onder 27 ° C tot ernstige onderkoeling. Veranderingen in neuromusculaire, cardiovasculaire en respiratoire activiteit hebben fatale gevolgen.

Meerdere organen worden aangetast wanneer thermoregulatie niet op de juiste manier werkt. Deze omvatten het hart, de hersenen, het maagdarmkanaal, de longen, de nieren en de lever.

Referenties

1. Arellano, JLP en del Pozo, SDC (2013). Handleiding algemene pathologie. Elsevier.
2. Argyropoulos, G., en Harper, ME (2002). Uitgenodigde beoordeling: ontkoppeling van eiwitten en thermoregulatie. Journal of Applied Physiology, 92 (5), 2187-2198.
3. Charkoudian N. (2010). Mechanismen en modificatoren van reflex-geïnduceerde cutane vasodilatatie en vasoconstrictie bij mensen. Journal of toegepaste fysiologie (Bethesda, Md .: 1985), 109 (4), 1221-8.
4. Hill, RW (1979). Vergelijkende dierfysiologie: een omgevingsbenadering. Ik draaide me om.
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., en Anderson, M. (2004). Dierlijke fysiologie. Sinauer Associates.
6. Liedtke WB (2017). Deconstructie van thermoregulatie bij zoogdieren. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114 (8), 1765-1767.
7. Morrison SF (2016). Centrale controle van de lichaamstemperatuur. F1000Research, 5, F1000 Faculteit Rev-880.