ויסות תרמי: פיזיולוגיה, מנגנונים, סוגים ושינויים - ביולוגיה - 2025

Thermoregulation הוא תהליך המאפשר אורגניזמים לווסת את טמפרטורת הגוף שלהם, ויסות איבוד חום ועלייה. בממלכת החיות ישנם מנגנונים שונים לוויסות הטמפרטורה, הן פיזיולוגיות והן אתולוגיות.

ויסות טמפרטורת הגוף הינה פעילות בסיסית לכל יצור חי, מכיוון שהפרמטר הוא קריטי להומאוסטזיס של הגוף ומשפיע על תפקודיותם של אנזימים וחלבונים אחרים, נזילות הממברנה, זרימת היונים, בין היתר. .

יונקים הומותרמיים ואנדותרמיים. מקור: אלן ווילסון

בצורתו הפשוטה ביותר, רשתות ויסות תרמית מופעלות באמצעות מעגל המשלב בין כניסות הקולטות התרמיות הממוקמות בעור, במערכת הפנים, במוח, בין היתר.

המנגנונים העיקריים לגירויים חמים או קרים אלו כוללים היווצרות כלי הדם בעור, התרחשות כלי הדם, ייצור חום (תרמוגנזה) והזעה. מנגנונים אחרים כוללים התנהגויות לקידום או הפחתת אובדן חום.

יסודות: חום וטמפרטורה

כדי לדבר על ויסות תרמי אצל בעלי חיים, יש לדעת את ההגדרה המדויקת של מונחים המבלבלים לעיתים קרובות בקרב התלמידים.

הבנת ההבדל בין חום לטמפרטורה חיונית להבנת הרגולציה התרמית של בעלי חיים. נשתמש בגופים דוממים כדי להמחיש את ההבדל: בואו נחשוב על שתי קוביות מתכת, האחת גדולה פי 10 מהשנייה.

כל אחת מהקוביות הללו נמצאת בחדר בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. אם אנו מודדים את הטמפרטורה של כל בלוק, שניהם יהיו על 25 מעלות צלזיוס, אם כי האחד גדול והשני קטן.

כעת, אם נמדוד את כמות החום בכל בלוק, התוצאה בין השניים תהיה שונה. כדי לבצע משימה זו עלינו להעביר את הבלוקים לחדר עם טמפרטורה של אפס מוחלט ולכמת את כמות החום שהם מפטרים. במקרה זה, תכולת החום תהיה גבוהה פי 10 בקוביית המתכת הגדולה ביותר.

טֶמפֶּרָטוּרָה

בזכות הדוגמא הקודמת, אנו יכולים להסיק שהטמפרטורה זהה לשניהם ובלתי תלויה בכמות החומר בכל גוש. הטמפרטורה נמדדת כמהירות או עוצמת התנועה של המולקולות.

בספרות הביולוגית, כאשר המחברים מזכירים "טמפרטורת גוף" הם מתייחסים לטמפרטורה של האזורים המרכזיים וההיקפיים של הגוף. הטמפרטורה של אזורי הליבה משקפת את הטמפרטורה של הרקמות ה"עמוקות "בגוף - מוח, לב וכבד.

הטמפרטורה של האזורים ההיקפיים מצידה מושפעת מהעברת הדם לעור ונמדדת על עור הידיים והרגליים.

חַם

לעומת זאת - ובחזרה לדוגמה של בלוקים - החום שונה בשני הגופים האינרטיים ויחס ישר לכמות החומר. זוהי סוג של אנרגיה ותלויה במספר האטומים והמולקולות של החומר המדובר.

סוגים: קשרים תרמיים בין בעלי חיים

בפיזיולוגיה של בעלי החיים ישנם מספר מונחים וקטגוריות המשמשים לתיאור הקשר הקלפי בין אורגניזמים. לכל אחת מקבוצות החיות הללו עיבודים מיוחדים - פיזיולוגיים, אנטומיים או אנטומיים - המסייעים להם לשמור על חום גופם בטווח מתאים.

בחיי היומיום אנו קוראים לבעלי חיים אנדותרמיים והומותרפיים כ"חממים בדם "ובעלי חיים פויקילותרמיים ואקטותרמיים כ"בעלי דם קר".

אנדותרם ואקטותרם

המונח הראשון הוא אנדותרמי, המשמש כאשר בעל החיים מצליח לחמם את עצמו על ידי תיווך הייצור המטבולי של החום. התפיסה ההפוכה היא אקטותרמי, שם הטמפרטורה של בעל החיים מוכתבת על ידי הסביבה שמסביב.

יש בעלי חיים שאינם מסוגלים להיות אנדותרמיים, מכיוון שהם אמנם מייצרים חום, אך הם אינם עושים זאת מספיק מהר בכדי לשמור עליו.

פואיקילותרמי והומותרפיה

דרך נוספת לסווג אותם היא על פי הרגולציה התרמית של החיה. המונח poikilotherm משמש להתייחס לבעלי חיים עם טמפרטורת גוף משתנה. במקרים אלה, חום הגוף גבוה בסביבות חמות ונמוך בסביבות קרות.

חיה פויקילותרמית יכולה לווסת את הטמפרטורה העצמית שלה באמצעות התנהגויות. כלומר, על ידי איתור באזורים עם קרינת שמש גבוהה כדי להעלות את הטמפרטורה או להסתתר מפני הקרינה האמורה כדי להוריד אותה.

המונחים poikilotherm ו ectotherm מתייחסים למעשה לאותה תופעה. עם זאת, פויוקילותרם מדגיש את השונות בטמפרטורת הגוף, ואילו האקטותרם מתייחס לחשיבות הטמפרטורה הסביבתית בקביעת טמפרטורת הגוף.

המונח ההפוך לפויקילותרמה הוא הומותרמי: ויסות תרמי באמצעים פיזיולוגיים - ולא רק בזכות הצגת התנהגויות. רוב בעלי החיים האנדותרמיים מסוגלים לווסת את הטמפרטורה שלהם.

דוגמאות

מַזַל דָגִים

דגים הם הדוגמא המושלמת לבעלי חיים אקטותרמיים ופויקילותרמיים. במקרה של חוליות שחייה אלה, רקמותיהם אינן מייצרות חום דרך מסלולי מטבוליות, ויתרה מכך, הטמפרטורה של הדגים נקבעת על ידי הטמפרטורה של גוף המים בו הם שוחים.

זוחלים

זוחלים מראים התנהגויות מאוד מסומנות המאפשרות להם לווסת (אתולוגית) את הטמפרטורה שלהם. בעלי חיים אלה מחפשים אזורים חמים - כמו נקבים על אבן חמה - על מנת להעלות את הטמפרטורה. אחרת, במקום בו הם רוצים להפחית אותו, הם יבקשו להסתתר מפני קרינה.

ציפורים ויונקים

יונקים וציפורים הם דוגמאות לבעלי חיים אנדותרמיים והומותרפיים. הם מייצרים באופן מטבולי את חום גופכם ומווסתים אותו פיזיולוגית. ישנם חרקים המציגים דפוס פיזיולוגי זה.

היכולת לווסת את הטמפרטורה שלהם העניקה לשני שושלות בעלי חיים יתרון על פני עמיתיהם הפויקילותרמיים, מכיוון שהם יכולים ליצור שיווי משקל תרמי בתאים ובאיברים שלהם. זה הוביל לכך שתהליכי התזונה, חילוף החומרים וההפרשה היו חזקים ויעילים יותר.

בני אדם, למשל, שומרים על הטמפרטורה שלהם על 37 מעלות צלזיוס, בטווח צר למדי - בין 33.2 ל- 38.2 מעלות צלזיוס. שמירה על פרמטר זה קריטית לחלוטין להישרדותו של המין ומתווכת שורה של תהליכים פיזיולוגיים בגוף.

לסירוגין מרחבי וזמני של אנדותרמי ואקטותרמי

ההבחנה בין ארבע הקטגוריות הללו מבולבלת לרוב כאשר אנו בוחנים מקרים של בעלי חיים המסוגלים להתחלף בין הקטגוריות, במרחב או באופן זמני.

ניתן להמחיש וריאציה זמנית בוויסות התרמית אצל יונקים שחווים תקופות שינה. בעלי חיים אלה הם בדרך כלל הומותרמיים בתקופות השנה בהן הם אינם מתרדמים ובמהלך שינה הם אינם מסוגלים לווסת את חום גופם.

וריאציה מרחבית מתרחשת כאשר בעל החיים מווסת באופן שונה את הטמפרטורה באזורי הגוף. דבורים וחרקים אחרים יכולים לווסת את הטמפרטורה של פלחי בית החזה שלהם ואינם מסוגלים לווסת את שאר האזורים. תנאי ויסות דיפרנציאלי זה נקרא הטרותרמי.

פיזיולוגיה של ויסות תרמי

כמו כל מערכת, גם הוויסות הפיזיולוגיות של טמפרטורת הגוף מחייבות נוכחות של מערכת אפראפנטית, מרכז בקרה ומערכת תוצרת.

המערכת הראשונה, האפרפרנט, אחראית ללכידת מידע דרך קולטני עור. בהמשך, המידע מועבר למרכז התרמו-רגולטורי דרך המסלול העצבי דרך הדם.

בתנאים רגילים, אברי הגוף המייצרים חום הם הלב והכבד. כאשר הגוף מבצע עבודה גופנית (פעילות גופנית), שריר השלד הוא גם מבנה מחולל חום.

ההיפותלמוס הוא המרכז לווסת חום והמשימות מחולקות לאובדן חום ולעלייה בחום. האזור התפקודי לתיווך של שמירה על חום נמצא באזור האחורי של ההיפותלמוס, ואילו האובדן מתווך על ידי האזור הקדמי. איבר זה עובד כמו תרמוסטט.

השליטה במערכת מתרחשת בשני אופנים: חיובי ושלילי, בתיווך קליפת המוח. תגובות האפקטור הן מהסוג ההתנהגותי או מתווכות על ידי מערכת העצבים האוטונומית. שני המנגנונים הללו יילמדו בהמשך.

מנגנונים תרמו-רגולטוריים

מנגנונים פיזיולוגיים

המנגנונים לוויסות הטמפרטורה משתנים בין סוג הגירוי שמתקבל, כלומר בין אם מדובר בעלייה או ירידה בטמפרטורה. אז נשתמש בפרמטר זה כדי ליצור סיווג של המנגנונים:

תקנה לטמפרטורות גבוהות

כדי להשיג את ויסות חום הגוף מול גירויי חום, על הגוף לקדם את אובדןו. ישנם כמה מנגנונים:

וזידילציה

אצל בני אדם, אחד המאפיינים הבולטים ביותר של זרימת העור הוא המגוון הרחב של כלי הדם שיש לו. למחזור הדם בעור יש תכונה להשתנות מאוד בהתאם לתנאי הסביבה ולשנות מזרימת דם גבוהה לנמוכה.

היכולת של התרחשות הדם היא מכריעה בוויסות התרמית של אנשים. זרימת הדם המוגבהת בתקופות של עלייה בטמפרטורה מאפשרת לגוף להגביר את העברת החום, מליבת הגוף אל פני העור, להתפוגג סופית.

כאשר מוגברת זרימת הדם, נפח הדם העורקי בתורו עולה. כך מועברת כמות גדולה יותר של דם מליבת הגוף אל פני העור, שם מתרחשת העברת חום. הדם הקר יותר כעת מועבר חזרה לליבת הגוף או למרכזו.

לְהָזִיעַ

לצד זרימת הדם, ייצור הזיעה הוא חיוני ביותר לוויסות התרמי שכן הוא מסייע להפצת עודפי החום. למעשה, ייצור ואידוי זיעה הם המנגנונים העיקריים של הגוף לאיבוד חום. הם עובדים גם במהלך פעילות גופנית.

זיעה היא נוזל המיוצר על ידי בלוטות זיעה הנקראות אקרין, המופץ בכל הגוף בצפיפות משמעותית.אידוי הזיעה מעביר חום מהגוף לסביבה כאדי מים.

תקנה לטמפרטורות נמוכות

בניגוד למנגנונים המוזכרים בסעיף הקודם, במצבים של ירידת טמפרטורה, על הגוף לקדם את שימור החום וייצורו באופן הבא:

התכווצות וזוקית

מערכת זו עוקבת אחר ההיגיון ההפוך המתואר בוויסות הדם, כך שלא נרחיב רבות על ההסבר. הקור מגרה התכווצות של כלי העור, ובכך נמנע מתפוגג החום.

Piloerection

האם תהית אי פעם מדוע "בליטות אווז" מופיעות כשאנחנו מול טמפרטורות נמוכות? זהו מנגנון למניעת איבוד חום הנקרא piloerection. עם זאת, מכיוון שלבני אדם מעט שיער יחסית על גופנו, היא נחשבת למערכת לא יעילה ומגוונת.

כאשר מתרחשת הגבהה של כל שיער, שכבת האוויר שבאה במגע עם העור מוגברת, מה שמוריד את הסעה של האוויר. זה מפחית את איבוד החום.

ייצור חום

הדרך האינטואיטיבית ביותר להתנגדות לטמפרטורות נמוכות היא על ידי ייצור חום. זה יכול להתרחש בשתי דרכים: על ידי צמרמורת וטרמיטוגנזה לא רועד.

במקרה הראשון, הגוף מייצר התכווצויות שרירים מהירות ולא רצוניות (זו הסיבה שאתה רועד כשקור לך) שמובילים לייצור חום. ייצור רועד הוא יקר - באופן אנרגטי - כך שהגוף ייפול עליו אם המערכות האמורות ייכשלו.

המנגנון השני מוביל על ידי רקמה הנקראת שומן חום (או רקמת שומן חומה, בספרות האנגלית היא בדרך כלל מסוכמת תחת ראשי התיבות של BAT לרקמת שומן חומה).

מערכת זו אחראית על ניתוק ייצור האנרגיה במטבוליזם: במקום ליצור ATP, היא מובילה לייצור חום. זהו מנגנון חשוב במיוחד בקרב ילדים ויונקים קטנים, אם כי עדויות עדכניות יותר ציינו שהוא רלוונטי גם אצל מבוגרים.

מנגנונים אתולוגיים

מנגנונים אתולוגיים מורכבים מכל ההתנהגויות שמציגים בעלי חיים כדי לווסת את הטמפרטורה שלהם. כפי שציינו בדוגמא של זוחלים, ניתן להציב אורגניזמים בסביבה הנכונה כדי לקדם או למנוע אובדן חום.

חלקים שונים של המוח מעורבים בעיבוד תגובה זו. אצל בני אדם התנהגויות אלו יעילות, אם כי אינן מווסתות היטב כמו ההתנהגויות הפיזיולוגיות.

הפרעות רגולציה תרמית

הגוף חווה שינויי טמפרטורה קטנים ועדינים לאורך היום, בהתאם למשתנים מסוימים, כמו הקצב הצירקדי, המחזור ההורמונאלי, בין היבטים פיזיולוגיים אחרים.

כפי שציינו, טמפרטורת הגוף מתזמרת מגוון עצום של תהליכים פיזיולוגיים ואובדן הוויסות שלו יכול להוביל לתנאים הרסניים בתוך האורגניזם הפגוע.

שני הקצוות התרמיים - גבוהים ונמוכים כאחד - משפיעים לרעה על אורגניזמים. לטמפרטורות גבוהות מאוד, מעל 42 מעלות צלזיוס בבני אדם, יש השפעה ניכרת מאוד על חלבונים, דבר שמקדם את הרדתם. כמו כן, סינתזת ה- DNA מושפעת. איברים ונוירונים נפגעים אף הם.

באופן דומה, טמפרטורות מתחת ל- 27 מעלות צלזיוס גורמות להיפותרמיה קשה. לשינויים בפעילות נוירו-שרירית, לב וכלי דם ונשימה יש השלכות קטלניות.

איברים מרובים מושפעים כאשר הרגולציה תרמית אינה פועלת בדרך הנכונה. אלה כוללים את הלב, המוח, מערכת העיכול, הריאות, הכליות והכבד.

הפניות

1. Arellano, JLP, & del Pozo, SDC (2013). מדריך לפתולוגיה כללית. אלזביאר.
2. Argyropoulos, G., & Harper, ME (2002). סקירה מוזמנת: ניתוק חיבור של חלבונים ורגולציה תרמית. כתב העת לפיזיולוגיה יישומית, 92 (5), 2187-2198.
3. צ'רקודיאן נ '(2010). מנגנונים ומשנים של רספלקס הנגרמת התפתחות כלי הדם של העורקים וההיצרות הכבד אצל בני אדם. כתב העת לפיזיולוגיה יישומית (Bethesda, Md .: 1985), 109 (4), 1221-8.
4. היל, RW (1979). פיזיולוגיה בהשוואה לבעלי חיים: גישה סביבתית. התהפכתי.
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., and Anderson, M. (2004). פיזיולוגיה של בעלי חיים. מקורבי סינאור.
6. Liedtke WB (2017). פירוק של ויסות תרמית של יונקים. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית של אמריקה, 114 (8), 1765-1767.
7. מוריסון SF (2016). שליטה מרכזית בטמפרטורת הגוף. F1000 מחקר, 5, הפקולטה F1000 Rev-880.