التنظيم الحراري: علم وظائف الأعضاء والآليات والأنواع والتعديلات - مادة الاحياء - 2025

و الحراري هو عملية تسمح الكائنات تنظيم درجة حرارة الجسم، تحوير فقدان الحرارة وزيادة. توجد في مملكة الحيوان آليات مختلفة لتنظيم درجة الحرارة ، فسيولوجية وسلوكية.

يعد تنظيم درجة حرارة الجسم نشاطًا أساسيًا لأي كائن حي ، لأن المعلمة ضرورية لاستتباب الجسم وتؤثر على وظيفة الإنزيمات والبروتينات الأخرى ، وسيولة الغشاء ، وتدفق الأيونات ، من بين أمور أخرى..

الثدييات هي حرارة منزلية وممتصة للحرارة. المصدر: آلان ويلسون

في أبسط أشكالها ، يتم تنشيط شبكات التنظيم الحراري عن طريق دائرة تدمج مدخلات المستقبلات الحرارية الموجودة في الجلد ، في الأحشاء ، في الدماغ ، من بين أمور أخرى.

تشمل الآليات الرئيسية لهذه المحفزات الساخنة أو الباردة تضيق الأوعية الجلدية ، وتوسع الأوعية ، وإنتاج الحرارة (التوليد الحراري) ، والتعرق. تتضمن الآليات الأخرى سلوكيات لتعزيز أو تقليل فقد الحرارة.

الأساسيات: الحرارة ودرجة الحرارة

للحديث عن التنظيم الحراري في الحيوانات ، من الضروري معرفة التعريف الدقيق للمصطلحات التي غالبًا ما تكون محيرة بين الطلاب.

يعد فهم الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة أمرًا ضروريًا لفهم التنظيم الحراري للحيوانات. سنستخدم الأجسام الجامدة لتوضيح الفرق: لنفكر في مكعبين من المعدن ، أحدهما أكبر بعشر مرات من الآخر.

كل من هذه المكعبات في غرفة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. إذا قمنا بقياس درجة حرارة كل كتلة ، فسيكون كلاهما عند 25 درجة مئوية ، على الرغم من أن أحدهما كبير والآخر صغير.

الآن ، إذا قمنا بقياس كمية الحرارة في كل كتلة ، فإن النتيجة بينهما ستكون مختلفة. لتنفيذ هذه المهمة ، يجب أن ننقل الكتل إلى غرفة بدرجة حرارة الصفر المطلق ونحدد كمية الحرارة التي تطلقها. في هذه الحالة ، سيكون المحتوى الحراري أعلى بعشر مرات في أكبر مكعب معدني.

درجة الحرارة

بفضل المثال السابق ، يمكننا أن نستنتج أن درجة الحرارة هي نفسها لكل من ومستقلة عن كمية المادة في كل كتلة. تُقاس درجة الحرارة على أنها سرعة أو شدة حركة الجزيئات.

في الأدبيات البيولوجية ، عندما ذكر المؤلفون "درجة حرارة الجسم" ، فإنهم يشيرون إلى درجة حرارة المناطق المركزية والمحيطية من الجسم. تعكس درجة حرارة المناطق الأساسية درجة حرارة أنسجة الجسم "العميقة" - المخ والقلب والكبد.

من جانبها ، تتأثر درجة حرارة المناطق المحيطية بمرور الدم إلى الجلد وتقاس على جلد اليدين والقدمين.

الحار

في المقابل - وبالعودة إلى مثال الكتل - تختلف الحرارة في كل من الأجسام الخاملة وتتناسب طرديًا مع كمية المادة. إنه شكل من أشكال الطاقة ويعتمد على عدد ذرات وجزيئات المادة المعنية.

الأنواع: العلاقات الحرارية بين الحيوانات

في فسيولوجيا الحيوان ، هناك عدد من المصطلحات والفئات المستخدمة لوصف العلاقات الحرارية بين الكائنات الحية. كل مجموعة من هذه المجموعات الحيوانية لديها تعديلات خاصة - فسيولوجية أو تشريحية أو تشريحية - تساعدهم في الحفاظ على درجة حرارة أجسامهم في نطاق مناسب.

في الحياة اليومية ، نطلق على الحيوانات الماصة للحرارة والحرارة المنزلية اسم "ذوات الدم الحار" والحيوانات ذات الحرارة المنخفضة والمتحولة الحرارة "ذوات الدم البارد".

Endotherm و ectotherm

المصطلح الأول ماص للحرارة ، ويستخدم عندما يتمكن الحيوان من تدفئة نفسه عن طريق التوسط في إنتاج التمثيل الغذائي للحرارة. المفهوم المعاكس هو ectothermy ، حيث تملي البيئة المحيطة درجة حرارة الحيوان.

بعض الحيوانات غير قادرة على أن تكون ماصة للحرارة ، لأنها على الرغم من أنها تنتج الحرارة ، فإنها لا تفعل ذلك بالسرعة الكافية للاحتفاظ بها.

Poikilothermic والحرارة المنزلية

طريقة أخرى لتصنيفها هي حسب التنظيم الحراري للحيوان. يستخدم مصطلح poikilotherm للإشارة إلى الحيوانات ذات درجات حرارة الجسم المتغيرة. في هذه الحالات ، تكون درجة حرارة الجسم مرتفعة في البيئات الحارة ومنخفضة في البيئات الباردة.

يمكن للحيوان شديد الحرارة أن ينظم درجة حرارته من خلال السلوكيات. أي من خلال تحديد المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي لزيادة درجة الحرارة أو الاختباء من الإشعاع المذكور لتقليله.

يشير المصطلحان poikilotherm و ectotherm إلى نفس الظاهرة بشكل أساسي. ومع ذلك ، فإن poikilotherm يؤكد على تباين درجة حرارة الجسم ، بينما يشير ectotherm إلى أهمية درجة حرارة البيئة في تحديد درجة حرارة الجسم.

المصطلح المعاكس لـ poikilotherm هو حرارة منزلية: التنظيم الحراري بالوسائل الفسيولوجية - وليس فقط بفضل عرض السلوكيات. معظم الحيوانات الماصة للحرارة قادرة على تنظيم درجة حرارتها.

أمثلة

أسماك

الأسماك هي خير مثال على الحيوانات ذات الحرارة الخارجية والمتحولة الحرارة. في حالة هذه الفقاريات العائمة ، لا تنتج أنسجتها الحرارة من خلال المسارات الأيضية ، علاوة على ذلك ، يتم تحديد درجة حرارة الأسماك من خلال درجة حرارة جسم الماء حيث تسبح.

الزواحف

تُظهر الزواحف سلوكيات واضحة للغاية تسمح لها بتنظيم درجة حرارتها (من الناحية الأخلاقية). تبحث هذه الحيوانات عن مناطق دافئة - مثل الجلوس على حجر ساخن - من أجل زيادة درجة الحرارة. خلاف ذلك ، حيث يريدون الحد منه ، سوف يسعون للاختباء من الإشعاع.

الطيور والثدييات

الثدييات والطيور هي أمثلة على الحيوانات الماصة للحرارة والحرارة. إنها تنتج درجة حرارة جسمك بشكل استقلابي وتنظمها فسيولوجيًا. تظهر بعض الحشرات أيضًا هذا النمط الفسيولوجي.

أعطت القدرة على تنظيم درجة حرارتها هذين السلالتين من الحيوانات ميزة على نظرائهما المتدرجين في درجة الحرارة ، حيث يمكنهم إنشاء توازن حراري في خلاياهم وأعضائهم. أدى ذلك إلى أن تكون عمليات التغذية والتمثيل الغذائي والإفراز أكثر قوة وكفاءة.

على سبيل المثال ، يحافظ البشر على درجة حرارتهم عند 37 درجة مئوية ، ضمن نطاق ضيق إلى حد ما - بين 33.2 و 38.2 درجة مئوية. يعد الحفاظ على هذه المعلمة أمرًا بالغ الأهمية لبقاء الأنواع ويتوسط سلسلة من العمليات الفسيولوجية في الجسم.

التناوب المكاني والزمني بين ماص للحرارة و ectothermy

غالبًا ما يتم الخلط بين التمييز بين هذه الفئات الأربع عندما نفحص حالات الحيوانات القادرة على التناوب بين الفئات ، سواء مكانيًا أو زمنيًا.

يمكن تمثيل الاختلاف الزمني في التنظيم الحراري مع الثدييات التي تعاني من فترات السبات. تكون هذه الحيوانات عمومًا ذات حرارة متجانسة خلال أوقات العام عندما لا تكون في حالة سبات وأثناء السبات فهي غير قادرة على تنظيم درجة حرارة أجسامها.

يحدث التباين المكاني عندما ينظم الحيوان درجة الحرارة بشكل مختلف في مناطق الجسم. يمكن للنحل الطنان والحشرات الأخرى أن تنظم درجة حرارة أجزاءها الصدرية ولا تستطيع تنظيم بقية المناطق. يسمى هذا الشرط التنظيمي التفاضلي غير المتجانسة.

فسيولوجيا التنظيم الحراري

مثل أي نظام ، يتطلب التنظيم الفسيولوجي لدرجة حرارة الجسم وجود نظام وارد ومركز تحكم ونظام مؤثر.

النظام الأول ، الوارد ، مسؤول عن التقاط المعلومات من خلال مستقبلات الجلد. بعد ذلك ، يتم نقل المعلومات إلى مركز التنظيم الحراري من خلال المسار العصبي عبر الدم.

في الظروف العادية ، أعضاء الجسم التي تولد الحرارة هي القلب والكبد. عندما يقوم الجسم بعمل بدني (تمرين) ، فإن العضلات الهيكلية هي أيضًا بنية مولدة للحرارة.

الوطاء هو مركز التنظيم الحراري وتنقسم المهام إلى فقدان الحرارة واكتساب الحرارة. تقع المنطقة الوظيفية للتوسط في الحفاظ على الحرارة في المنطقة الخلفية لمنطقة ما تحت المهاد ، في حين أن الخسارة تتوسطها المنطقة الأمامية. يعمل هذا العضو مثل منظم الحرارة.

يحدث التحكم في النظام بطريقتين: إيجابية وسلبية ، تتوسطها قشرة الدماغ. استجابات المستجيب هي من النوع السلوكي أو بوساطة الجهاز العصبي اللاإرادي. سيتم دراسة هاتين الآليتين في وقت لاحق.

آليات التنظيم الحراري

الآليات الفسيولوجية

تختلف آليات تنظيم درجة الحرارة بين نوع الحافز المتلقى ، أي ما إذا كان زيادة أو انخفاض في درجة الحرارة. لذلك سوف نستخدم هذه المعلمة لإنشاء تصنيف للآليات:

لائحة درجات الحرارة المرتفعة

لتحقيق تنظيم درجة حرارة الجسم في مواجهة منبهات الحرارة ، يجب على الجسم تعزيز فقدانها. هناك عدة آليات:

توسع الأوعية

في البشر ، من أكثر خصائص الدورة الدموية لفتًا للنظر النطاق الواسع للأوعية الدموية الموجودة فيها. تتباين الدورة الدموية عبر الجلد بشكل كبير حسب الظروف البيئية وتتغير من تدفق الدم المرتفع إلى المنخفض.

تعد قدرة توسع الأوعية أمرًا بالغ الأهمية في التنظيم الحراري للأفراد. يسمح تدفق الدم المرتفع خلال فترات ارتفاع درجة الحرارة للجسم بزيادة انتقال الحرارة ، من قلب الجسم إلى سطح الجلد ، حتى تتبدد أخيرًا.

عندما يزداد تدفق الدم ، يزداد حجم الدم الجلدي بدوره. وبالتالي ، يتم نقل كمية أكبر من الدم من قلب الجسم إلى سطح الجلد ، حيث يحدث انتقال الحرارة. يتم نقل الدم الأكثر برودة الآن إلى قلب أو مركز الجسم.

عرق

إلى جانب توسع الأوعية ، يعد إفراز العرق أمرًا ضروريًا لتنظيم الحرارة لأنه يساعد في تبديد الحرارة الزائدة. في الواقع ، يعتبر إنتاج العرق والتبخر اللاحق لهما آليات الجسم الرئيسية لفقدان الحرارة. كما أنهم يعملون أثناء النشاط البدني.

العرق هو سائل تفرزه الغدد العرقية تسمى الإكرين ، وتنتشر في جميع أنحاء الجسم بكثافة عالية ، ويؤدي تبخر العرق إلى نقل الحرارة من الجسم إلى البيئة كبخار ماء.

تنظيم درجات الحرارة المنخفضة

على عكس الآليات المذكورة في القسم السابق ، في حالات انخفاض درجة الحرارة ، يجب على الجسم تعزيز الحفاظ على الحرارة وإنتاجها بالطريقة التالية:

تضيق الأوعية

يتبع هذا النظام المنطق المعاكس الموصوف في توسع الأوعية ، لذلك لن نتحدث كثيرًا عن التفسير. يحفز البرد تقلص الأوعية الجلدية ، وبالتالي تجنب تبديد الحرارة.

شلل

هل تساءلت يومًا عن سبب ظهور "قشعريرة" عندما نكون أمام درجات حرارة منخفضة؟ إنها آلية لمنع فقدان الحرارة تسمى الانتصاب الشعري. ومع ذلك ، نظرًا لأن شعر أجسام البشر قليل نسبيًا ، فإنه يعتبر نظامًا بدائيًا وغير فعال.

عندما يحدث ارتفاع لكل شعرة ، تزداد طبقة الهواء التي تلامس الجلد ، مما يقلل من الحمل الحراري للهواء. هذا يقلل من فقدان الحرارة.

انتاج الحرارة

الطريقة الأكثر بديهية لمواجهة درجات الحرارة المنخفضة هي إنتاج الحرارة. يمكن أن يحدث هذا بطريقتين: عن طريق التوليد الحراري غير المرتعش والارتجاف.

في الحالة الأولى ، ينتج الجسم تقلصات عضلية سريعة وغير إرادية (لهذا السبب ترتجف عندما تكون باردًا) مما يؤدي إلى إنتاج الحرارة. إن ارتجاف الإنتاج مكلف - من حيث الطاقة - لذلك سيعود الجسم إليه إذا فشلت الأنظمة المذكورة أعلاه.

الآلية الثانية يقودها نسيج يسمى الدهون البنية (أو الأنسجة الدهنية البنية ، في الأدب الإنجليزي ، عادة ما يتم تلخيصها تحت اختصار BAT للأنسجة الدهنية البنية).

هذا النظام مسؤول عن فصل إنتاج الطاقة في عملية التمثيل الغذائي: بدلاً من تكوين ATP ، فإنه يؤدي إلى إنتاج الحرارة. إنها آلية مهمة بشكل خاص عند الأطفال والثدييات الصغيرة ، على الرغم من أن الأدلة الحديثة قد أشارت إلى أنها ذات صلة أيضًا بالبالغين.

الآليات الأخلاقية

تتكون الآليات الأخلاقية من جميع السلوكيات التي تظهرها الحيوانات لتنظيم درجة حرارتها. كما ذكرنا في مثال الزواحف ، يمكن وضع الكائنات الحية في البيئة المناسبة لتعزيز أو منع فقدان الحرارة.

تشارك أجزاء مختلفة من الدماغ في معالجة هذه الاستجابة. هذه السلوكيات فعالة عند البشر ، على الرغم من أنها ليست منظمة بدقة مثل السلوكيات الفسيولوجية.

اضطرابات التنظيم الحراري

يعاني الجسم من تغيرات صغيرة ودقيقة في درجات الحرارة على مدار اليوم ، اعتمادًا على بعض المتغيرات ، مثل إيقاع الساعة البيولوجية ، والدورة الهرمونية ، من بين جوانب فسيولوجية أخرى.

كما ذكرنا ، تنظم درجة حرارة الجسم مجموعة كبيرة من العمليات الفسيولوجية ويمكن أن يؤدي فقدان تنظيمها إلى ظروف مدمرة داخل الكائن الحي المصاب.

كلا التطرفين الحراريين - المرتفع والمنخفض - يؤثران سلبًا على الكائنات الحية. درجات الحرارة العالية جدًا ، التي تزيد عن 42 درجة مئوية في البشر ، لها تأثير ملحوظ جدًا على البروتينات ، مما يعزز تمسخها الطبيعي. أيضا ، يتأثر تركيب الحمض النووي. كما تتلف الأعضاء والخلايا العصبية.

وبالمثل ، تؤدي درجات الحرارة التي تقل عن 27 درجة مئوية إلى انخفاض شديد في درجة حرارة الجسم. التغيرات في النشاط العصبي العضلي والقلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي لها عواقب وخيمة.

تتأثر أعضاء متعددة عندما لا يعمل التنظيم الحراري بالطريقة الصحيحة. وتشمل هذه القلب والدماغ والجهاز الهضمي والرئتين والكلى والكبد.

المراجع

1. Arellano، JLP، & del Pozo، SDC (2013). دليل علم الأمراض العامة. إلسفير.
2. Argyropoulos، G.، & Harper، ME (2002). المراجعة المدعوة: فصل البروتينات والتنظيم الحراري. مجلة علم وظائف الأعضاء التطبيقي ، 92 (5) ، 2187-2198.
3. شاركوديان ن. (2010). آليات ومعدلات الانعكاس الناجم عن توسع الأوعية الجلدية وتضيق الأوعية في البشر. مجلة علم وظائف الأعضاء التطبيقي (Bethesda، Md: 1985)، 109 (4)، 1221-8.
4. هيل ، RW (1979). فسيولوجيا الحيوان المقارن: نهج بيئي. أنا عكس.
5. Hill، RW، Wyse، GA، Anderson، M.، & Anderson، M. (2004). فسيولوجيا الحيوان. سيناوير أسوشيتس.
6. Liedtke WB (2017). تفكيك التنظيم الحراري للثدييات. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية ، 114 (8) ، 1765-1767.
7. موريسون سف (2016). تحكم مركزي في درجة حرارة الجسم. F1000Research، 5، F1000 Faculty Rev-880.