THERMOREGULATION: PHYSIOLOGIE, MECHANISMEN, TYPEN UND VERÄNDERUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die Thermoregulation ist der Prozess, der es Organismen ermöglicht, ihre Körpertemperatur zu regulieren und den Wärmeverlust und -gewinn zu modulieren. Im Tierreich gibt es verschiedene physiologische und ethologische Mechanismen zur Regulierung der Temperatur.

Die Regulierung der Körpertemperatur ist eine grundlegende Aktivität für jedes Lebewesen, da der Parameter für die Homöostase des Körpers entscheidend ist und unter anderem die Funktionalität von Enzymen und anderen Proteinen, die Fließfähigkeit der Membran und den Ionenfluss beeinflusst. .

Säugetiere sind homöotherm und endotherm. Quelle: Alan Wilson

In seiner einfachsten Form werden Thermoregulationsnetzwerke durch eine Schaltung aktiviert, die unter anderem die Eingänge von Thermorezeptoren integriert, die sich in der Haut, in den Eingeweiden, im Gehirn befinden.

Die Hauptmechanismen für diese heißen oder kalten Reize umfassen kutane Vasokonstriktion, Vasodilatation, Wärmeerzeugung (Thermogenese) und Schwitzen. Andere Mechanismen umfassen Verhaltensweisen zur Förderung oder Verringerung des Wärmeverlusts.

Grundlagen: Wärme und Temperatur

Um über die Thermoregulation bei Tieren zu sprechen, ist es notwendig, die genaue Definition von Begriffen zu kennen, die unter Schülern oft verwirrend sind.

Das Verständnis des Unterschieds zwischen Wärme und Temperatur ist wichtig, um die Wärmeregulierung von Tieren zu verstehen. Wir werden leblose Körper verwenden, um den Unterschied zu veranschaulichen: Stellen wir uns zwei Würfel eines Metalls vor, von denen einer zehnmal größer ist als der andere.

Jeder dieser Würfel befindet sich in einem Raum mit einer Temperatur von 25 ° C. Wenn wir die Temperatur jedes Blocks messen, liegen beide bei 25 ° C, obwohl einer groß und der andere klein ist.

Wenn wir nun die Wärmemenge in jedem Block messen, ist das Ergebnis zwischen den beiden unterschiedlich. Um diese Aufgabe auszuführen, müssen wir die Blöcke in einen Raum mit einer Temperatur von absolut Null bringen und die Wärmemenge quantifizieren, die sie abgeben. In diesem Fall ist der Wärmeinhalt im größten Metallwürfel zehnmal höher.

Temperatur

Dank des vorherigen Beispiels können wir schließen, dass die Temperatur für beide gleich und unabhängig von der Materiemenge in jedem Block ist. Die Temperatur wird als Geschwindigkeit oder Intensität der Bewegung der Moleküle gemessen.

Wenn die Autoren in der biologischen Literatur „Körpertemperatur“ erwähnen, beziehen sie sich auf die Temperatur der zentralen und peripheren Regionen des Körpers. Die Temperatur der Kernregionen spiegelt die Temperatur der "tiefen" Gewebe des Körpers wider - Gehirn, Herz und Leber.

Die Temperatur der peripheren Regionen wird ihrerseits durch den Durchgang von Blut zur Haut beeinflusst und an der Haut von Händen und Füßen gemessen.

Heiß

Im Gegensatz dazu - und zurück zum Beispiel der Blöcke - ist die Wärme in beiden inerten Körpern unterschiedlich und direkt proportional zur Menge der Materie. Es ist eine Energieform und hängt von der Anzahl der Atome und Moleküle der betreffenden Substanz ab.

Arten: thermische Beziehungen zwischen Tieren

In der Tierphysiologie gibt es eine Reihe von Begriffen und Kategorien, die zur Beschreibung der thermischen Beziehungen zwischen Organismen verwendet werden. Jede dieser Tiergruppen hat spezielle Anpassungen - physiologische, anatomische oder anatomische -, die ihnen helfen, ihre Körpertemperatur in einem geeigneten Bereich zu halten.

Im Alltag nennen wir endotherme und homöotherme Tiere "warmblütig" und poikilotherme und ektotherme Tiere "kaltblütig".

Endotherme und Ektotherme

Der erste Begriff ist Endothermie, die verwendet wird, wenn es dem Tier gelingt, sich durch Vermittlung der metabolischen Wärmeerzeugung zu erwärmen. Das entgegengesetzte Konzept ist die Ektothermie, bei der die Temperatur des Tieres von der Umgebung bestimmt wird.

Einige Tiere sind nicht in der Lage, endotherm zu sein, da sie zwar Wärme erzeugen, diese jedoch nicht schnell genug ausführen, um sie zurückzuhalten.

Poikilotherm und homöotherm

Eine andere Möglichkeit, sie zu klassifizieren, ist die Wärmeregulierung des Tieres. Der Begriff Poikilotherm bezieht sich auf Tiere mit unterschiedlichen Körpertemperaturen. In diesen Fällen ist die Körpertemperatur in heißen Umgebungen hoch und in kalten Umgebungen niedrig.

Ein poikilothermes Tier kann seine Temperatur durch Verhalten selbst regulieren. Das heißt, indem man sich in Gebieten mit hoher Sonnenstrahlung befindet, um die Temperatur zu erhöhen, oder sich vor dieser Strahlung versteckt, um sie zu verringern.

Die Begriffe Poikilotherm und Ektotherm beziehen sich im Wesentlichen auf dasselbe Phänomen. Die Poikilotherme betont jedoch die Variabilität der Körpertemperatur, während die Ektotherme die Bedeutung der Umgebungstemperatur für die Bestimmung der Körpertemperatur bezeichnet.

Der entgegengesetzte Begriff für Poikilotherm ist homöotherm: Thermoregulation mit physiologischen Mitteln - und das nicht nur dank der Anzeige von Verhaltensweisen. Die meisten endothermen Tiere sind in der Lage, ihre Temperatur zu regulieren.

Beispiele

Fische

Fische sind das perfekte Beispiel für ektotherme und poikilotherme Tiere. Bei diesen schwimmenden Wirbeltieren erzeugen ihre Gewebe keine Wärme über Stoffwechselwege, und außerdem wird die Temperatur der Fische durch die Temperatur des Gewässers bestimmt, in dem sie schwimmen.

Reptilien

Reptilien zeigen ein sehr ausgeprägtes Verhalten, das es ihnen ermöglicht, ihre Temperatur (ethologisch) zu regulieren. Diese Tiere suchen warme Regionen - wie das Hocken auf einem heißen Stein -, um die Temperatur zu erhöhen. Andernfalls werden sie sich dort, wo sie es reduzieren wollen, vor Strahlung verstecken wollen.

Vögel und Säugetiere

Säugetiere und Vögel sind Beispiele für endotherme und homöotherme Tiere. Sie produzieren metabolisch Ihre Körpertemperatur und regulieren sie physiologisch. Einige Insekten weisen auch dieses physiologische Muster auf.

Die Fähigkeit, ihre Temperatur zu regulieren, gab diesen beiden Tierlinien einen Vorteil gegenüber ihren poikilothermen Gegenstücken, da sie ein thermisches Gleichgewicht in ihren Zellen und Organen herstellen können. Dies führte dazu, dass die Prozesse der Ernährung, des Stoffwechsels und der Ausscheidung robuster und effizienter waren.

Beispielsweise halten Menschen ihre Temperatur bei 37 ° C in einem ziemlich engen Bereich - zwischen 33,2 und 38,2 ° C. Die Aufrechterhaltung dieses Parameters ist für das Überleben der Spezies von entscheidender Bedeutung und vermittelt eine Reihe physiologischer Prozesse im Körper.

Räumlicher und zeitlicher Wechsel von Endothermie und Ektothermie

Die Unterscheidung zwischen diesen vier Kategorien wird oft verwechselt, wenn wir Fälle von Tieren untersuchen, die räumlich oder zeitlich zwischen den Kategorien wechseln können.

Die zeitliche Variation der Wärmeregulierung kann anhand von Säugetieren veranschaulicht werden, die Winterschlafperioden durchlaufen. Diese Tiere sind im Allgemeinen zu Zeiten des Jahres homöotherm, wenn sie keinen Winterschlaf halten, und während des Winterschlafes können sie ihre Körpertemperatur nicht regulieren.

Räumliche Variationen treten auf, wenn das Tier die Temperatur in Körperregionen unterschiedlich reguliert. Hummeln und andere Insekten können die Temperatur ihrer Brustsegmente regulieren und sind nicht in der Lage, den Rest der Regionen zu regulieren. Diese Differenzregelungsbedingung wird als Heterothermie bezeichnet.

Physiologie der Thermoregulation

Wie jedes System erfordert die physiologische Regulierung der Körpertemperatur das Vorhandensein eines afferenten Systems, eines Kontrollzentrums und eines efferenten Systems.

Das erste System, das afferente, ist für die Erfassung von Informationen über Hautrezeptoren verantwortlich. Anschließend wird die Information über den Nervenweg durch das Blut an das thermoregulatorische Zentrum übertragen.

Unter normalen Bedingungen sind die Organe des Körpers, die Wärme erzeugen, Herz und Leber. Wenn der Körper körperliche Arbeit leistet (Bewegung), ist der Skelettmuskel auch eine wärmeerzeugende Struktur.

Der Hypothalamus ist das thermoregulatorische Zentrum und die Aufgaben sind in Wärmeverlust und Wärmegewinn unterteilt. Die Funktionszone zur Vermittlung der Aufrechterhaltung der Wärme befindet sich in der hinteren Zone des Hypothalamus, während der Verlust durch die vordere Region vermittelt wird. Diese Orgel arbeitet wie ein Thermostat.

Die Kontrolle des Systems erfolgt auf zwei Arten: positiv und negativ, vermittelt durch die Hirnrinde. Effektorreaktionen sind vom Verhaltenstyp oder werden vom autonomen Nervensystem vermittelt. Diese beiden Mechanismen werden später untersucht.

Thermoregulatorische Mechanismen

Physiologische Mechanismen

Die Mechanismen zur Regulierung der Temperatur variieren zwischen der Art des empfangenen Stimulus, dh ob es sich um eine Zunahme oder eine Abnahme der Temperatur handelt. Wir werden diesen Parameter also verwenden, um eine Klassifizierung der Mechanismen zu erstellen:

Regelung für hohe Temperaturen

Um die Regulierung der Körpertemperatur angesichts von Wärmestimuli zu erreichen, muss der Körper seinen Verlust fördern. Es gibt verschiedene Mechanismen:

Vasodilatation

Eine der auffälligsten Eigenschaften der Hautzirkulation beim Menschen ist das breite Spektrum der Blutgefäße. Die Durchblutung der Haut hat die Eigenschaft, je nach Umgebungsbedingungen enorm zu variieren und sich von einer hohen zu einer niedrigen Durchblutung zu verändern.

Die Fähigkeit zur Vasodilatation ist entscheidend für die Thermoregulation von Individuen. Der erhöhte Blutfluss während Perioden erhöhter Temperatur ermöglicht es dem Körper, die Wärmeübertragung vom Körperkern zur Hautoberfläche zu erhöhen, um schließlich abgeführt zu werden.

Wenn der Blutfluss erhöht wird, nimmt wiederum das Hautblutvolumen zu. Somit wird eine größere Menge Blut vom Körperkern auf die Hautoberfläche übertragen, wo eine Wärmeübertragung stattfindet. Das jetzt kältere Blut wird zurück in den Kern oder das Zentrum des Körpers übertragen.

Schweiß

Neben der Vasodilatation ist die Schweißproduktion für die Wärmeregulierung von entscheidender Bedeutung, da sie dazu beiträgt, überschüssige Wärme abzuleiten. Tatsächlich sind die Erzeugung und anschließende Verdunstung von Schweiß die Hauptmechanismen des Körpers, um Wärme zu verlieren. Sie arbeiten auch bei körperlicher Aktivität.

Schweiß ist eine Flüssigkeit, die von Schweißdrüsen namens Eccrine produziert wird und in einer signifikanten Dichte im Körper verteilt ist. Durch die Verdunstung des Schweißes wird Wärme als Wasserdampf vom Körper an die Umwelt übertragen.

Regelung für niedrige Temperaturen

Im Gegensatz zu den im vorherigen Abschnitt erwähnten Mechanismen muss der Körper in Situationen mit Temperaturabfall die Erhaltung und Erzeugung von Wärme auf folgende Weise fördern:

Vasokonstriktion

Dieses System folgt der in der Vasodilatation beschriebenen entgegengesetzten Logik, daher werden wir auf die Erklärung nicht viel näher eingehen. Die Kälte stimuliert die Kontraktion der Hautgefäße und vermeidet so die Wärmeableitung.

Piloerection

Haben Sie sich jemals gefragt, warum „Gänsehaut“ auftritt, wenn wir vor niedrigen Temperaturen stehen? Es ist ein Mechanismus zur Verhinderung von Wärmeverlusten, der als Piloerektion bezeichnet wird. Da Menschen jedoch relativ wenig Haare in unserem Körper haben, wird dies als ineffektives und rudimentäres System angesehen.

Wenn die Höhe jedes Haares auftritt, wird die Luftschicht, die mit der Haut in Kontakt kommt, vergrößert, wodurch die Konvektion der Luft verringert wird. Dies reduziert den Wärmeverlust.

Wärmeerzeugung

Der intuitivste Weg, niedrigen Temperaturen entgegenzuwirken, ist die Erzeugung von Wärme. Dies kann auf zwei Arten geschehen: durch zitternde und nicht zitternde Thermogenese.

Im ersten Fall erzeugt der Körper schnelle und unwillkürliche Muskelkontraktionen (deshalb zittern Sie, wenn Sie kalt sind), die zur Erzeugung von Wärme führen. Eine zitternde Produktion ist - energetisch gesehen - teuer, so dass der Körper darauf zurückgreifen kann, wenn die oben genannten Systeme ausfallen.

Der zweite Mechanismus wird von einem Gewebe geleitet, das als braunes Fett bezeichnet wird (oder braunes Fettgewebe, in der englischen Literatur wird es normalerweise unter dem Akronym BAT für braunes Fettgewebe zusammengefasst).

Dieses System ist für die Entkopplung der Energieerzeugung im Stoffwechsel verantwortlich: Anstatt ATP zu bilden, führt es zur Wärmeerzeugung. Es ist ein besonders wichtiger Mechanismus bei Kindern und kleinen Säugetieren, obwohl neuere Erkenntnisse festgestellt haben, dass er auch bei Erwachsenen relevant ist.

Ethologische Mechanismen

Ethologische Mechanismen bestehen aus allen Verhaltensweisen, die Tiere zeigen, um ihre Temperatur zu regulieren. Wie im Beispiel von Reptilien erwähnt, können Organismen in die richtige Umgebung gebracht werden, um den Wärmeverlust zu fördern oder zu verhindern.

An der Verarbeitung dieser Reaktion sind verschiedene Teile des Gehirns beteiligt. Beim Menschen sind diese Verhaltensweisen wirksam, obwohl sie nicht wie die physiologischen fein reguliert sind.

Thermoregulationsstörungen

Der Körper erfährt im Laufe des Tages kleine und empfindliche Temperaturänderungen, die von einigen Variablen abhängen, wie z. B. dem Tagesrhythmus, dem Hormonkreislauf und anderen physiologischen Aspekten.

Wie bereits erwähnt, steuert die Körpertemperatur eine Vielzahl physiologischer Prozesse, und der Verlust der Regulierung kann zu verheerenden Zuständen im betroffenen Organismus führen.

Beide thermischen Extreme - sowohl hohe als auch niedrige - wirken sich negativ auf Organismen aus. Sehr hohe Temperaturen über 42 ° C beim Menschen wirken sich sehr stark auf Proteine ​​aus und fördern deren Denaturierung. Auch die DNA-Synthese ist betroffen. Organe und Neuronen sind ebenfalls geschädigt.

Ebenso führen Temperaturen unter 27 ° C zu schwerer Unterkühlung. Veränderungen der neuromuskulären, kardiovaskulären und respiratorischen Aktivität haben fatale Folgen.

Mehrere Organe sind betroffen, wenn die Thermoregulation nicht richtig funktioniert. Dazu gehören Herz, Gehirn, Magen-Darm-Trakt, Lunge, Nieren und Leber.

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