การควบคุมอุณหภูมิ: สรีรวิทยากลไกประเภทและการเปลี่ยนแปลง - ชีววิทยา - 2026

การควบคุมอุณหภูมิเป็นกระบวนการที่ช่วยให้สิ่งมีชีวิตควบคุมอุณหภูมิของร่างกายปรับการสูญเสียความร้อนและการได้รับ ในอาณาจักรสัตว์มีกลไกที่แตกต่างกันในการควบคุมอุณหภูมิทั้งทางสรีรวิทยาและสาเหตุ

การควบคุมอุณหภูมิของร่างกายเป็นกิจกรรมพื้นฐานสำหรับสิ่งมีชีวิตใด ๆ เนื่องจากพารามิเตอร์มีความสำคัญต่อสภาวะสมดุลของร่างกายและมีผลต่อการทำงานของเอนไซม์และโปรตีนอื่น ๆ ความลื่นไหลของเมมเบรนการไหลของไอออนและอื่น ๆ .

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเป็นสัตว์เลี้ยงในบ้านและดูดความร้อน ที่มา: Alan Wilson

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดเครือข่ายการควบคุมอุณหภูมิจะเปิดใช้งานโดยวงจรที่รวมอินพุตของตัวรับความร้อนที่อยู่ในผิวหนังในอวัยวะภายในในสมองและอื่น ๆ

กลไกหลักสำหรับสิ่งกระตุ้นที่ร้อนหรือเย็นเหล่านี้ ได้แก่ การหดตัวของหลอดเลือดการขยายตัวของหลอดเลือดการผลิตความร้อน (thermogenesis) และการขับเหงื่อ กลไกอื่น ๆ ได้แก่ พฤติกรรมในการส่งเสริมหรือลดการสูญเสียความร้อน

พื้นฐาน: ความร้อนและอุณหภูมิ

หากต้องการพูดถึงการควบคุมอุณหภูมิในสัตว์จำเป็นต้องทราบคำจำกัดความที่แน่นอนของคำศัพท์ที่นักเรียนมักจะสับสน

การทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างความร้อนและอุณหภูมิเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับการควบคุมความร้อนของสัตว์ เราจะใช้ร่างที่ไม่มีชีวิตเพื่อแสดงให้เห็นถึงความแตกต่าง: ลองนึกถึงโลหะสองก้อนก้อนหนึ่งใหญ่กว่าอีก 10 เท่า

ก้อนเหล่านี้แต่ละก้อนอยู่ในห้องที่อุณหภูมิ 25 ° C ถ้าเราวัดอุณหภูมิของแต่ละบล็อกทั้งสองอย่างจะอยู่ที่ 25 ° C แม้ว่าอันหนึ่งจะใหญ่และอีกอันเล็ก

ทีนี้ถ้าเราวัดปริมาณความร้อนในแต่ละบล็อกผลลัพธ์ระหว่างทั้งสองจะแตกต่างกัน ในการดำเนินภารกิจนี้เราต้องย้ายบล็อกไปยังห้องที่มีอุณหภูมิเป็นศูนย์สัมบูรณ์และหาปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมา ในกรณีนี้ปริมาณความร้อนจะสูงขึ้น 10 เท่าในก้อนโลหะที่ใหญ่ที่สุด

อุณหภูมิ

จากตัวอย่างก่อนหน้านี้เราสามารถสรุปได้ว่าอุณหภูมิเท่ากันสำหรับทั้งสองอย่างและไม่ขึ้นกับปริมาณของสสารในแต่ละบล็อก อุณหภูมิวัดเป็นความเร็วหรือความเข้มของการเคลื่อนที่ของโมเลกุล

ในวรรณกรรมทางชีววิทยาเมื่อผู้เขียนกล่าวถึง“ อุณหภูมิของร่างกาย” พวกเขาหมายถึงอุณหภูมิของส่วนกลางและบริเวณส่วนปลายของร่างกาย อุณหภูมิของบริเวณแกนกลางสะท้อนถึงอุณหภูมิของเนื้อเยื่อ "ส่วนลึก" ของร่างกาย - สมองหัวใจและตับ

อุณหภูมิของบริเวณรอบข้างนั้นได้รับอิทธิพลจากการไหลเวียนของเลือดไปยังผิวหนังและวัดได้ที่ผิวหนังของมือและเท้า

ร้อน

ในทางตรงกันข้าม - และกลับไปที่ตัวอย่างของบล็อก - ความร้อนนั้นแตกต่างกันทั้งในเนื้อเฉื่อยและแปรผันตรงกับปริมาณของสสาร มันเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งและขึ้นอยู่กับจำนวนอะตอมและโมเลกุลของสารที่เป็นปัญหา

ประเภท: ความสัมพันธ์ทางความร้อนระหว่างสัตว์

ในสรีรวิทยาของสัตว์มีคำศัพท์และหมวดหมู่มากมายที่ใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์เชิงความร้อนระหว่างสิ่งมีชีวิต สัตว์แต่ละกลุ่มเหล่านี้มีการปรับตัวแบบพิเศษไม่ว่าจะเป็นทางสรีรวิทยากายวิภาคหรือกายวิภาคซึ่งช่วยรักษาอุณหภูมิของร่างกายให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม

ในชีวิตประจำวันเราเรียกสัตว์ที่ดูดความร้อนและความร้อนในบ้านว่า "เลือดอุ่น" และสัตว์ที่มีความร้อนในอุณหภูมิต่ำและนอกโลกร้อนว่า "เลือดเย็น"

Endotherm และ ectotherm

คำแรกคือความร้อนที่ใช้ในการทำให้สัตว์อุ่นตัวเองโดยเป็นสื่อกลางในการผลิตความร้อนจากการเผาผลาญ แนวคิดที่ตรงกันข้ามคือ ectothermy ซึ่งอุณหภูมิของสัตว์ถูกกำหนดโดยสภาพแวดล้อมโดยรอบ

สัตว์บางชนิดไม่สามารถดูดความร้อนได้เพราะถึงแม้ว่ามันจะผลิตความร้อน แต่ก็ไม่ได้เร็วพอที่จะกักเก็บไว้ได้

Poikilothermic และ homeothermic

อีกวิธีหนึ่งในการจำแนกพวกมันคือตามการควบคุมอุณหภูมิของสัตว์ คำว่า poikilotherm ใช้เรียกสัตว์ที่มีอุณหภูมิร่างกายแตกต่างกัน ในกรณีเหล่านี้อุณหภูมิของร่างกายจะสูงในสภาพแวดล้อมที่ร้อนและต่ำในสภาพแวดล้อมที่เย็น

สัตว์ที่มีความร้อนในอุณหภูมิต่ำสามารถควบคุมอุณหภูมิได้ด้วยตนเองผ่านพฤติกรรม นั่นคือโดยการค้นหาในบริเวณที่มีรังสีดวงอาทิตย์สูงเพื่อเพิ่มอุณหภูมิหรือซ่อนตัวจากรังสีดังกล่าวเพื่อลดลง

คำว่า poikilotherm และ ectotherm หมายถึงปรากฏการณ์เดียวกันโดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม poikilotherm เน้นความแปรปรวนของอุณหภูมิร่างกายในขณะที่ ectotherm หมายถึงความสำคัญของอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมในการกำหนดอุณหภูมิของร่างกาย

คำที่ตรงกันข้ามสำหรับ poikilotherm คือ homeothermic: การควบคุมอุณหภูมิด้วยวิธีทางสรีรวิทยา - และไม่เพียง แต่ต้องขอบคุณการแสดงพฤติกรรมเท่านั้น สัตว์ดูดความร้อนส่วนใหญ่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้

ตัวอย่าง

ปลา

ปลาเป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบของสัตว์ที่มีความร้อนนอกความร้อนและอุณหภูมิต่ำ ในกรณีของสัตว์มีกระดูกสันหลังที่ว่ายน้ำเหล่านี้เนื้อเยื่อของพวกมันจะไม่สร้างความร้อนผ่านทางเมตาบอลิซึมและยิ่งไปกว่านั้นอุณหภูมิของปลาจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของแหล่งน้ำที่พวกมันว่ายน้ำ

สัตว์เลื้อยคลาน

สัตว์เลื้อยคลานแสดงพฤติกรรมที่ทำเครื่องหมายไว้มากซึ่งทำให้สามารถควบคุมอุณหภูมิของมันได้ (ตามหลักสรีรวิทยา) สัตว์เหล่านี้แสวงหาพื้นที่ที่อบอุ่นเช่นเกาะบนหินร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ มิฉะนั้นที่พวกเขาต้องการลดมันพวกเขาจะพยายามซ่อนตัวจากรังสี

นกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและนกเป็นตัวอย่างของสัตว์ที่มีความร้อนและอุณหภูมิในร่างกาย พวกเขาผลิตอุณหภูมิร่างกายของคุณโดยการเผาผลาญและควบคุมทางสรีรวิทยา แมลงบางชนิดยังแสดงรูปแบบทางสรีรวิทยานี้ด้วย

ความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิทำให้สัตว์ทั้งสองชนิดนี้มีความได้เปรียบเหนือสัตว์ชนิดนี้เนื่องจากสามารถสร้างสมดุลทางความร้อนในเซลล์และอวัยวะได้ สิ่งนี้นำไปสู่กระบวนการทางโภชนาการการเผาผลาญและการขับถ่ายที่แข็งแรงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ตัวอย่างเช่นมนุษย์รักษาอุณหภูมิไว้ที่ 37 ° C ภายในช่วงที่ค่อนข้างแคบ - ระหว่าง 33.2 ถึง 38.2 ° C การบำรุงรักษาพารามิเตอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการอยู่รอดของสายพันธุ์และเป็นสื่อกลางของกระบวนการทางสรีรวิทยาในร่างกาย

การสลับเชิงพื้นที่และชั่วคราวของ endothermy และ ectothermy

ความแตกต่างระหว่างสี่ประเภทนี้มักจะสับสนเมื่อเราตรวจสอบกรณีของสัตว์ที่สามารถสลับระหว่างหมวดหมู่ได้ทั้งในเชิงพื้นที่หรือทางโลก

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในการควบคุมอุณหภูมิสามารถเป็นตัวอย่างได้กับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่อยู่ในช่วงจำศีล โดยทั่วไปสัตว์เหล่านี้จะมีอุณหภูมิในร่างกายในช่วงเวลาของปีที่พวกมันไม่ได้อยู่ในโหมดไฮเบอร์เนตและในระหว่างการจำศีลพวกมันไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิของร่างกายได้

การเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่เกิดขึ้นเมื่อสัตว์ควบคุมอุณหภูมิในบริเวณต่างๆของร่างกาย แมลงภู่และแมลงอื่น ๆ สามารถควบคุมอุณหภูมิของส่วนทรวงอกและไม่สามารถควบคุมส่วนที่เหลือได้ เงื่อนไขการควบคุมที่แตกต่างกันนี้เรียกว่า heterothermy

สรีรวิทยาของการควบคุมอุณหภูมิ

เช่นเดียวกับระบบใด ๆ การควบคุมอุณหภูมิของร่างกายทางสรีรวิทยาจำเป็นต้องมีระบบที่เกี่ยวข้องศูนย์ควบคุมและระบบที่แตกต่างกัน

ระบบแรกเป็นผู้รับสารมีหน้าที่ในการจับข้อมูลผ่านตัวรับผิวหนัง ต่อจากนั้นข้อมูลจะถูกส่งไปยังศูนย์ควบคุมอุณหภูมิผ่านทางระบบประสาทผ่านทางเลือด

ภายใต้สภาวะปกติอวัยวะของร่างกายที่สร้างความร้อนคือหัวใจและตับ เมื่อร่างกายทำกายภาพ (ออกกำลังกาย) กล้ามเนื้อโครงร่างก็เป็นโครงสร้างที่สร้างความร้อนเช่นกัน

ไฮโปทาลามัสเป็นศูนย์ควบคุมอุณหภูมิและแบ่งงานออกเป็นการสูญเสียความร้อนและการได้รับความร้อน โซนการทำงานเพื่อเป็นสื่อกลางในการบำรุงรักษาความร้อนจะอยู่ในโซนด้านหลังของมลรัฐในขณะที่การสูญเสียจะถูกไกล่เกลี่ยโดยบริเวณด้านหน้า อวัยวะนี้ทำงานเหมือนเทอร์โมสตัท

การควบคุมระบบเกิดขึ้นได้สองวิธี: บวกและลบโดยสื่อกลางโดยเยื่อหุ้มสมองของสมอง การตอบสนองของเอฟเฟกต์อยู่ในประเภทพฤติกรรมหรือเป็นสื่อกลางโดยระบบประสาทอัตโนมัติ กลไกทั้งสองนี้จะได้รับการศึกษาในภายหลัง

กลไกการควบคุมอุณหภูมิ

กลไกทางสรีรวิทยา

กลไกในการควบคุมอุณหภูมิจะแตกต่างกันไปตามประเภทของสิ่งเร้าที่ได้รับกล่าวคือไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของอุณหภูมิ ดังนั้นเราจะใช้พารามิเตอร์นี้เพื่อสร้างการจำแนกประเภทของกลไก:

การควบคุมอุณหภูมิสูง

เพื่อให้บรรลุการควบคุมอุณหภูมิของร่างกายเมื่อเผชิญกับสิ่งเร้าความร้อนร่างกายต้องส่งเสริมการสูญเสีย มีกลไกหลายประการ:

การขยายหลอดเลือด

ในมนุษย์ลักษณะที่โดดเด่นที่สุดอย่างหนึ่งของการไหลเวียนของผิวหนังคือหลอดเลือดที่มีอยู่มากมาย การไหลเวียนของเลือดผ่านผิวหนังมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมและการปรับเปลี่ยนจากการไหลเวียนของเลือดสูงไปต่ำ

ความสามารถในการขยายหลอดเลือดเป็นสิ่งสำคัญในการควบคุมอุณหภูมิของแต่ละบุคคล การไหลเวียนของเลือดที่สูงขึ้นในช่วงที่อุณหภูมิสูงขึ้นทำให้ร่างกายสามารถเพิ่มการส่งผ่านความร้อนจากแกนกลางของร่างกายไปยังผิวของผิวหนังจนหมดไปในที่สุด

เมื่อการไหลเวียนของเลือดเพิ่มขึ้นปริมาณเลือดที่ผิวหนังจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นเลือดจำนวนมากจะถูกถ่ายโอนจากแกนกลางของร่างกายไปยังพื้นผิวของผิวหนังซึ่งเกิดการถ่ายเทความร้อน ตอนนี้เลือดที่เย็นกว่าจะถูกถ่ายเทกลับไปที่แกนกลางหรือศูนย์กลางของร่างกาย

เหงื่อ

นอกเหนือจากการขยายหลอดเลือดแล้วการผลิตเหงื่อยังมีความสำคัญต่อการควบคุมอุณหภูมิเนื่องจากช่วยกระจายความร้อนส่วนเกิน ในความเป็นจริงการผลิตและการระเหยของเหงื่อในภายหลังเป็นกลไกหลักของร่างกายในการสูญเสียความร้อน พวกเขายังทำงานในระหว่างการออกกำลังกาย

เหงื่อเป็นของเหลวที่ผลิตโดยต่อมเหงื่อที่เรียกว่า eccrine ซึ่งกระจายไปทั่วร่างกายอย่างหนาแน่นการระเหยของเหงื่อจะถ่ายเทความร้อนจากร่างกายสู่สิ่งแวดล้อมเป็นไอน้ำ

การควบคุมอุณหภูมิต่ำ

ตรงกันข้ามกับกลไกที่กล่าวถึงในหัวข้อก่อนหน้าในสถานการณ์ที่อุณหภูมิลดลงร่างกายต้องส่งเสริมการอนุรักษ์และการผลิตความร้อนด้วยวิธีต่อไปนี้:

vasoconstriction

ระบบนี้เป็นไปตามตรรกะตรงกันข้ามที่อธิบายไว้ในการขยายหลอดเลือดดังนั้นเราจะไม่อธิบายรายละเอียดมากนักในคำอธิบาย ความเย็นจะกระตุ้นให้เกิดการหดตัวของหลอดเลือดดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงการกระจายความร้อน

Piloerection

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าทำไม“ อาการขนลุก” จึงปรากฏขึ้นเมื่อเราอยู่ต่อหน้าอุณหภูมิต่ำ? เป็นกลไกป้องกันการสูญเสียความร้อนที่เรียกว่า Piloerection อย่างไรก็ตามเนื่องจากมนุษย์มีขนบนร่างกายค่อนข้างน้อยจึงถือว่าเป็นระบบที่ไม่ได้ผลและเป็นพื้นฐาน

เมื่อความสูงของเส้นผมแต่ละเส้นเกิดขึ้นชั้นของอากาศที่สัมผัสกับผิวหนังจะเพิ่มขึ้นซึ่งจะลดการหมุนเวียนของอากาศ ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียความร้อน

การผลิตความร้อน

วิธีที่ง่ายที่สุดในการรับมือกับอุณหภูมิต่ำคือการผลิตความร้อน สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้สองวิธี: โดยการสั่นและไม่สั่นเทอร์โมเจเนซิส

ในกรณีแรกร่างกายจะเกิดการหดตัวของกล้ามเนื้ออย่างรวดเร็วและไม่ได้ตั้งใจ (นั่นคือสาเหตุที่คุณตัวสั่นเมื่อคุณหนาว) ซึ่งนำไปสู่การผลิตความร้อน การผลิตที่สั่นสะเทือนนั้นมีราคาแพง - พูดอย่างกระฉับกระเฉง - ดังนั้นร่างกายจะถอยกลับไปหากระบบดังกล่าวล้มเหลว

กลไกที่สองนำโดยเนื้อเยื่อที่เรียกว่าไขมันสีน้ำตาล (หรือเนื้อเยื่อไขมันสีน้ำตาลในวรรณคดีอังกฤษมักสรุปไว้ภายใต้ตัวย่อของ BAT สำหรับเนื้อเยื่อไขมันสีน้ำตาล)

ระบบนี้มีหน้าที่แยกการผลิตพลังงานในการเผาผลาญ: แทนที่จะสร้าง ATP จะนำไปสู่การผลิตความร้อน เป็นกลไกที่สำคัญอย่างยิ่งในเด็กและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดเล็กแม้ว่าจะมีหลักฐานล่าสุดระบุว่าเกี่ยวข้องกับผู้ใหญ่ด้วย

กลไกทางจริยธรรม

กลไกทางจริยธรรมประกอบด้วยพฤติกรรมทั้งหมดที่สัตว์แสดงเพื่อควบคุมอุณหภูมิของมัน ดังที่เราได้กล่าวไว้ในตัวอย่างของสัตว์เลื้อยคลานสิ่งมีชีวิตสามารถอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมเพื่อส่งเสริมหรือป้องกันการสูญเสียความร้อน

ส่วนต่างๆของสมองมีส่วนร่วมในการประมวลผลการตอบสนองนี้ พฤติกรรมเหล่านี้ในมนุษย์ได้ผลแม้ว่าจะไม่ได้รับการควบคุมอย่างละเอียดเหมือนพฤติกรรมทางสรีรวิทยา

ความผิดปกติของการควบคุมอุณหภูมิ

ร่างกายมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยและละเอียดอ่อนตลอดทั้งวันขึ้นอยู่กับตัวแปรบางอย่างเช่นจังหวะการทำงานของวงจรรอบฮอร์โมนและลักษณะทางสรีรวิทยาอื่น ๆ

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วอุณหภูมิของร่างกายเป็นตัวกำหนดกระบวนการทางสรีรวิทยาที่หลากหลายและการสูญเสียกฎระเบียบอาจนำไปสู่สภาวะที่ทำลายล้างภายในสิ่งมีชีวิตที่ได้รับผลกระทบ

ทั้งความร้อนสูงและต่ำ - ส่งผลเสียต่อสิ่งมีชีวิต อุณหภูมิที่สูงมากซึ่งสูงกว่า 42 ° C ในมนุษย์มีผลอย่างมากต่อโปรตีนซึ่งส่งเสริมการสูญเสียสภาพ นอกจากนี้การสังเคราะห์ดีเอ็นเอยังได้รับผลกระทบ อวัยวะและเซลล์ประสาทได้รับความเสียหายด้วย

ในทำนองเดียวกันอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 27 ° C ทำให้เกิดภาวะอุณหภูมิต่ำอย่างรุนแรง การเปลี่ยนแปลงของระบบประสาทและกล้ามเนื้อหัวใจและหลอดเลือดและระบบทางเดินหายใจมีผลร้ายแรง

อวัยวะหลายส่วนได้รับผลกระทบเมื่อการควบคุมอุณหภูมิไม่ทำงานอย่างถูกต้อง ซึ่งรวมถึงหัวใจสมองระบบทางเดินอาหารปอดไตและตับ

อ้างอิง

1. Arellano, JLP และ del Pozo, SDC (2013) คู่มือพยาธิวิทยาทั่วไป. เอลส์
2. Argyropoulos, G. , & Harper, ME (2002). บทวิจารณ์ที่ได้รับเชิญ: การแยกโปรตีนและการควบคุมอุณหภูมิ วารสารสรีรวิทยาประยุกต์, 92 (5), 2187-2198.
3. ชาร์คูเดียนเอ็น. (2010). กลไกและตัวปรับแต่งของการขยายตัวของหลอดเลือดที่ผิวหนังและการหดตัวของหลอดเลือดในมนุษย์ วารสารสรีรวิทยาประยุกต์ (Bethesda, Md .: 1985), 109 (4), 1221-8
4. ฮิลล์, RW (1979). สรีรวิทยาของสัตว์เปรียบเทียบ: แนวทางด้านสิ่งแวดล้อม ฉันย้อนกลับ
5. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. , & Anderson, M. (2004). สรีรวิทยาของสัตว์. Sinauer Associates
6. Liedtke WB (2017). การแยกโครงสร้างการควบคุมอุณหภูมิของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114 (8), 1765-1767
7. มอร์ริสันเอสเอฟ (2016). การควบคุมอุณหภูมิของร่างกายจากส่วนกลาง F1000Research, 5, F1000 คณะ Rev-880