Biológia

Obsah:

2 TEPLOTA TELA POIKILOTERMNÝCH ŽIVOČÍCHOV.. 2

3 TEPLOTA TELA HOMOIOTERMNÝCH ŽIVOČÍCHOV.. 2

1 TEPLOTA ORGANIZMOV A PROSTREDIA

Živé organizmy sú nesmierne prispôsobivé podmienkam okolitého prostredia, preto na Zemi nájdeme len málo miest skutočne bez života. Avšak aj tieto adaptácie na extrémne podmienky (teplota, chlad) majú svoje hranice.

Existencia života je možná len pri takých teplotách, pri ktorých môžu existovať komplexné organické zlúčeniny tzv. biokinetické rozmedzie teplôt (–270 – +150 °C). Najoptimálnejšie teploty pre život sú 0–45 °C. U niektorých organizmov sa toto rozmedzie môže posunúť do nižších teplôt (musia byť prítomné aktívne antifrízové substancie zabraňujúce kryštalizácii vnútrobunkových tekutín) alebo do vyšších teplôt (ak došlo k prestavbe metabolických a enzymatických procesov).

Pri extrémnych teplotách existencia života závisí od zmien fyzikálnych vlastností vody. Pri nízkych teplotách voda tvorí ľadové kryštáliky, ktoré zväčšujú svoj objem a narúšajú bunkové štruktúry. Pri vysokých teplotách sa naopak voda vyparuje, pritom dochádza k denaturácii bielkovín a k zvyšovaniu metabolizmu, čím sa zvýši obsah škodlivých metabolitov.

Zistilo sa, že bunky po vystavení extrémnym teplotám zvyšujú syntézu zvláštnej skupiny bielkovín – proteínov tepelného šoku, ktoré vydávajú impulzy k nervovým bunkám citlivým na teplo. A tým reagujú na zmenu teploty. Tieto proteíny boli zistené vo všetkých živých organizmoch (aj rastlinných) – preto sa predpokladá, že tento „teplomer“ vznikol už na začiatku evolúcie života.

Teplota je veľmi dôležitý fyzikálny faktor, ktorý významne ovplyvňuje intenzitu fyziologických pochodov v organizme. Tieto prebiehajú najlepšie pri určitej optimálnej teplote vnútorného prostredia. Zmena teploty má za následok nielen spomalenie alebo zrýchlenie biochemických procesov, ale i rozladenie ich súhry. Preto ak živočích dokáže udržať teplotu tela na stálej hodnote (pri kolísajúcej teplote prostredia) môže sa zdokonaliť reťaz premeny látok a energie tak, aby každý jej článok pracoval v optimálnom režime.

Túto schopnosť majú len vtáky a cicavce. Stálosť teploty je umožnená prítomnosťou regulačných systémov, ktoré riadia súhru medzi vznikom tepla v organizme a jeho výdajom, či príjmom z okolia.

Živočíchy závislé na prívode tepla z vonkajšieho prostredia sa nazývajú studenokrvné = poikilotermné = ektotermné. Ich teplota tela sa mení s okolitou teplotou. S tým je spojená určitá výhoda – za chladu sa znižuje metabolizmus, takže v zime živočích vydrží dlhšie so zásobami živín.

Teplokrvné = homoiotermné = endotermné organizmy majú konštantnú teplotu tela, nezávislú od vonkajšieho prostredia. Vďaka tomu môžu byť tieto organizmy aktívne nezávislé na kolísaní teploty prostredia a môžu osídliť i oblasti, kde je značnú časť roka nízka teplota.

Súhrn regulačných mechanizmov vedúcich k zachovaniu stálej teploty tela a k rovnováhe medzi ziskom a výdajom tepla sa nazýva TERMOREGULÁCIA.

Tvorba a zadržiavanie tepla v organizme sa nazýva TERMOGENÉZA, odvádzanie tepla do vonkajšieho prostredia je TERMOLÝZA.

Termoregulačné reakcie sa dostavujú ako odpoveď organizmu na zmenu teploty kože i na zmenu teploty krvi v termoregulačných centrách CNS. Nadradené termoregulačné centrum je uložené v hypotalame. Je to dej energeticky náročný (dostatok potravy).

Niektoré živočíchy majú schopnosť "vypínať" termoreguláciu v období chladu, kedy by neboli schopné kryť metabolické nároky dostatočným prísunom potravy. V tomto období upadajú do zimného spánku – HIBERNÁCIE. Ich teplota tela klesá a metabolizmus sa zníži, základné životné prejavy (dýchanie, činnosť srdca) sú spomalené. Schopnosť hibernácie zahŕňa schopnosť regulačných mechanizmov vyradiť deje udržujúce stálu telesnú teplotu, ďalej schopnosť tkanív prežiť pri veľmi nízkej teplote a nakoniec schopnosť mobilizovať mechanizmy produkcie tepla pri prebúdzaní.

2 TEPLOTA TELA POIKILOTERMNÝCH ŽIVOČÍCHOV

Medzi studenokrvné organizmy patria tie, ktoré nie sú schopné udržať stálu teplotu tela (všetky bezchordáty, ryby, obojživelníky, plazy), ale ju prispôsobujú teplote vonkajšieho prostredia. Vplyvom aktívneho pohybu teplota tela týchto živočíchov môže prevyšovať teplotu okolitého prostredia o niekoľko stupňov. Pri poklese teploty tela vplyvom trvalejšej zmeny teploty prostredia upadajú poikilotermné[1] živočíchy do pokojového štádia. Ak teplota vonkajšieho prostredia poklesne len nakrátko, poikilotermovia sa vyhrievajú na slnku alebo zvýšia svoju pohybovú aktivitu. Proti prehrievaniu sa bránia zdržiavaním sa na chladnejších miestach, výparom vody, zrýchlenou respiráciou, alebo zmenou zafarbenia povrchu tela tak, aby odrážal slnečné žiarenie.

Otázkou ostáva, ako môžu poikilotermné živočíchy existovať v takom širokom rozsahu okolitých teplôt, keď optimum činnosti ich enzýmov leží medzi 35 až 40 °C.

Fyziologické funkcie môžu prebiehať pri rôznych teplotách vďaka adaptáciám na molekulárnej úrovni. Metabolické kompenzácie poikilotermov sú v podstate dvojakého typu.

3 TEPLOTA TELA HOMOIOTERMNÝCH ŽIVOČÍCHOV

Ani u homoiotermných živočíchov (vtáky, cicavce) nie je teplota tela celkom stála – je rôzna na rôznych miestach tela, čo závisí od fyziologického stavu organizmu i od vonkajších podmienok.

Jednotlivé druhy homoiotermných živočíchov sa medzi sebou líšia teplotou, na ktorej sa ich telo udržuje (36 – 42 °C). Svojou teplotou povrchu tela sa líšia aj jednotlivci v rámci jedného druhu.

Normálna vnútorná teplota v priebehu dňa pravidelne kolíše v rozmedzí medzi 0,5 – 0,8 °C. Najnižšia je v priebehu spánku, o niečo vyššia je v stave bdelosti v pokoji, a stúpa s činnosťou organizmu.

Medzi nižšou teplotou prostredia a vyššou teplotou tela sa utvára teplotný spád, ktorý sa dá zistiť meraním teploty tela v rozličných hĺbkach organizmu. Teplota vnútorných orgánov tela je najvyššia, teplota tkanív postupne smerom k povrchu tela klesá a teplota kože sa ustáli takmer na úrovni teploty prostredia, tým sa znížia straty na minimum.

Na základe toho rozlišujeme tepelné jadro, ktoré tvoria vnútorné orgány, hrudník, vnútorná časť svaloviny a teplotný obal tvorený kožou a podkožnou svalovou vrstvou.

Za teplotu jadra sa považuje rektálna teplota. (Teplota v ústach je aspoň o 0,3 °C nižšia a je ovplyvnená niektorými činiteľmi: napr. požitie chladnej alebo horúcej potravy, dýchanie ústami, žutie). Veľkosť tepelného jadra sa mení v závislosti od teploty vonkajšieho prostredia, ale môže byť ovplyvnená aj svalovou prácou alebo fyziologickým stavom organizmu (tréma, trávenie, ovulácia). Rozdiely môžeme pozorovať aj medzi jednotlivými vnútornými orgánmi, pečeň je metabolicky aktívna a má preto teplotu vyššiu asi o 1 °C (považujeme ju za najteplejší orgán) naopak pľúca sú ochladzované vdychovaným vzduchom.

Teplota obalu je viac variabilná v závislosti od okolitého prostredia (v chlade sa teplotný obal zväčšuje), je zvyčajne nižšia ako teplota jadra a tvorí akýsi teplotný nárazník organizmu. Rozdiely teploty medzi jadrom a obalom sú impulzom pre zapojenie termoregulačných mechanizmov.

Za najlepšie definovanú teplotu telového obalu sa považuje teplota kože. Kožná teplota na rôznych častiach tela je odlišná – distálne časti tela majú nižšiu teplotu, chrbát a čelo majú vyššiu kožnú teplotu. Kožná teplota závisí od veľkosti izolácie srsťou, perím, prípadne oblečením.

Teplotu tela môžu ovplyvňovať tieto činitele:

1. Pohlavie – samci majú vyššiu teplotu tela ako samice.

2. Ontogenetické štádium – mladé jedince nemajú zvyčajne dostatočne vyvinutú termoreguláciu (pozri 2.3.6).

3. Denná doba – teplota tela homoiotermov počas dňa kolíše (istý denný biorytmus teploty podmieňuje kolísanie bazálneho metabolizmu a životná aktivita).

4. Výživa – po výdatnom jedle sa teplota zvýši, dlhotrvajúcim hladovaním sa zníži o 2 – 2,5 °C.

5. Svalová činnosť – pri svalovej činnosti teplota stúpa.

6. Emocionálne stavy – bolesť, vzrušenie, pohlavná aktivita teplotu tela zvyšujú.

7. Okolitá teplota – zmeny nastávajú pri extrémne nízkych, alebo vysokých teplotách.

8. Fyziologický stav organizmu – rôzne druhy onemocnení, napr. poruchu činnosti štítnej žľazy charakterizujú osobitné teplotné zmeny.

4 MECHANIZMY HOSPODÁRENIA S TEPLOM

Teplota tela endotermných organizmov sa udržiava termoregulačnými mechanizmami (fyzikálne, chemické, centrálne) v oblasti NORMOTERMIE.

Stabilný tepelný stav organizmu je výsledkom pôsobenia dvoch protichodných dejov – produkcie tepla vo vnútri tela a tepelných strát z tela do okolitého prostredia.

V prípade narušenia tepelnej rovnováhy organizmu dochádza k hypotermii alebo k hypertermii.

Pri HYPOTERMII organizmus stráca viac tepla ako ho sám vyprodukuje. Existuje istá hranica, pod ktorú nesmie klesnúť teplota tela, inak nastáva smrť organizmu (u človeka to je 28 °C, u ostatných cicavcov 20 °C).

Zníženie teploty pod túto hranicu vedie k zastaveniu činnosti srdca, k ochrnutiu respiračných svalov a k nedostatku kyslíka v tkanivách (anoxia).

Mierna hypotermia vedie k spomaleniu metabolických pochodov, to je možné využiť napr. pri operačných zákrokoch. Znížením teploty tkanív sa znižuje ich metabolizmus a zmenšujú sa nároky na kyslík.

Hlboká hypotermia (pod 0 °C) sa využíva pri uchovávaní orgánov na transplantačné účely. Hlboká hypotermia bola už aplikovaná aj na celé organizmy, ale naráža na niekoľko problémov: predovšetkým sa objavujú fibrilácie srdca, anoxie mozgu a gastrointestinálne krvácanie.

Pri HYPERTERMII sa v organizme kumuluje viac tepla ako sa ho odovzdáva do vonkajšieho prostredia. Zvýšenú teplotu tela organizmy tolerujú do určitej hodnoty (napr. človek – 40 °C), pri vyšších teplotách hrozí nebezpečenstvo tepelného kolapsu. Kolaps je prejavom zlyhania cirkulačného systému. Cievy v koži sa veľmi rozširujú, vzniká nepomer medzi kapacitou ciev a množstvom cirkulujúcej krvi, nastáva pokles krvného tlaku a napokon strata vedomia.

4.1 FYZIKÁLNA TERMOREGULÁCIA

Pri fyzikálnej termoregulácii príjem tepla z prostredia a jeho výdaj z organizmu regulujú fyzikálne deje. Výdaj tepla sa uskutočňuje niekoľkými spôsobmi najmä povrchom tela a zabezpečujú ju tieto mechanizmy: vedenie, prúdenie, sálanie a vyparovanie.

Vedenie (kondukcia) je prenos tepla na inú látku, ktorá je v priamom kontakte s organizmom. Závisí od tepelného rozdielu medzi telom a prostredím, od doby a veľkosti plochy vzájomného kontaktu. Výdaj tepla vedením je malý (asi 1%), pretože vzduch je zlý vodič tepla.

Prúdenie (konvekcia) je prenos tepla umožnený pohybom molekúl vzduchu alebo vody a ich odvádzaním po tom ako pohltili pri dotyku s telom istú časť tepelnej energie. Výdaj tepla prúdením závisí predovšetkým na rýchlosti prúdenia a od teplotného rozdielu medzi telom a prostredím t.j. pri pohybe, vetre rastie. Konvekciou človek vydáva asi 15% celkového výdaja tepla.

Sálanie (radiácia) je prenos tepla z organizmu na predmety s ktorými nie je v priamom styku. Vyžarovanie závisí od teplotného spádu medzi telom a prostredím, od veľkosti plochy, ktorá vyžaruje a od vlhkosti vzduchu, ktorý sálanie tlmí. Radiáciou sa vydáva asi 55% celkového výdaja tepla. (Uvedené mechanizmy sa uplatňujú vždy pri teplotnom spáde).

Vyparovanie (evaporácia) – uplatňuje sa iba vtedy, ak sa zvýši teplota prostredia nad teplotu kože. 1 l vody sprotrebuje k svojmu vypareniu asi 2427 KJ. Tento mechanizmus sa využíva aj pri odparovaní potu z kože, aj pri nepozorovateľnom vyparovaní (bez vystúpenia potu) a tiež aj pri odparovaní pľúcami. Nepozorovaným odparovaním sa denne odparí asi 0,5 l vody, podobne aj pľúcami.

Asi 3% celkových strát pripadá na straty tepla močom a stolicou, ohrievaním vdychovaného vzduchu a prijatých pokrmov.

Pri výdaji tepla je dôležitá aj vazodilatácia. Keď je v organizme veľa tepla, povrchové cievy a kapiláry sa rozťahujú, čím sa zvyšuje odovzdávanie tepla do vonkajšieho prostredia.

Uvedené spôsoby výdaja tepla sa môžu navzájom dopĺňať. Napr. keď je v uzavretom prostredí príliš vysoká teplota, teplo z organizmu sa odvádza len potením. Ak je však aj vysoká vlhkosť vzduchu, zlyháva aj potenie. Teplo a vlhko sú preto v tropickej klíme pre neaklimatizovaného človeka takmer neznesiteľné.

4.2 CHEMICKÁ TERMOREGULÁCIA

Pri chemickej termoregulácii dochádza k otepľovaniu organizmov vplyvom neprestajne prebiehajúcich metabolických dejov.

Tvorba tepla metabolickými dejmi sa môže zvýšiť 2 spôsobmi:

1. Triaškovou termogenézou, pri ktorej sa tvorba tepla zvyšuje aktívnejšie pohybujúcimi sa svalmi.

2. Netriaškovou termogenézou, ktorá je humorálneho pôvodu a je podmienená termogénnym účinkom noradrenalínu.

Triašková termogenéza je podmienená aktiváciou kostrovej svaloviny, ktorá nedáva vznik žiadnej mechanickej práci. Pri klesajúcej teplote sa najprv zvyšuje svalový tonus (napätie) a neskôr dochádza k svalovej triaške vďaka čomu stúpne produkcia tepla v svale.

Schopnosťou triaškovej produkcie tepla sa vyznačujú takmer všetky svaly. U človeka nastupuje triaška najprv v žuvacích svaloch, ďalej postupuje cez krčné svaly, hrudné svaly až na svaly končatín. Tvorbu tepla trasením svalov môžu zvyšovať niektoré hormóny, napr. tyroxín, adrenalín, bradykinín. Počas svalovej triašky sa zvýši spotreba kyslíka na dvojnásobok a dôjde k zvýšeniu minútového objemu srdca asi o 50%. Prietok krvi sa zvyšuje predovšetkým v svalových orgánoch a to viac ako o 100%, zatiaľ čo v ostatných orgánoch sa prietok krvi nemení. Straty tepla kožou sú teda obmedzené. Preto je svalová triaška účinný termogenetický mechanizmus schopný efektívne udržovať stálu telesnú teplotu s relatívne malými nárokmi na produkciu tepla.

Netriašková termogenéza sa vyskytuje najmä v takých situáciách, keď treba dodať organizmu dostatok tepla v krátkom časovom intervale za výraznejšieho podchladenia organizmu (napr. pri prebúdzaní sa zo zimného spánku u hibernantov, alebo u podchladených malých detí).

Je to fyziologický dej vyskytujúci sa u mláďat všetkých cicavcov. V dospelosti mizne, môže byť ale znovu vyvolaný chladovou adaptáciou.

Hlavným orgánom netriaškovej termogenézy je hnedé tukové tkanivo lokalizované u väčšiny cicavcov medzi lopatkami a je aj roztrúsené na rôznych miestach tela. V tomto hnedom tukovom tkanive sa po vystavení živočíchov chladu zvyšuje teplota oveľa viac (až 100x) než v iných orgánoch. Príčinou je množstvo mitochondrií a oxidačných enzýmov.

5 RIADENIE TERMOREGULÁCIE

Mechanizmy fyzikálnej a chemickej termoregulácie sú riadené nervovou a hormonálnou sústavou. Reakcie sú sprostredkované väčšinou nepodmienenými reflexami.

Hlavným termoregulačným centrom je HYPOTALAMUS. Jeho úlohou je optimalizovať tepelnú bilanciu organizmu a podľa potreby zapínať alebo vypínať tvorbu alebo výdaj tepla.

Jadrá v prednej časti hypotalamu regulujú deje zvyšujúce straty tepla z organizmu do prostredia. Tvoria centrum výdaja tepla. Jadrá v zadnej časti hypotalamu zas usmerňujú deje na uchovávanie tepla v organizme a jeho tvorbu. Medzi oboma riadiacimi centrami v hypotalame je účinná spätná väzba. Ak je jedno centrum aktivované, druhé je inhibované. Hypotalamus je tiež spojený nervovými vláknami s dýchacím centrom v predĺženej mieche, čo ovplyvňuje dýchacie pohyby (napr. polypnoe).

Zmeny vnútornej teploty sú registrované priamo bunkami hypotalamu, teplotu vonkajšieho prostredia registrujú termoreceptory umiestnené v koži.

V prvom prípade teplota krvi pretekajúca mozgom pôsobí priamo na hypotalamické centrá a vyvoláva príslušné odpovede.

Dráždenie kožných receptorov vzbudzuje adekvátne odpovede (potenie, zmenu prekrvenia kože). Pre vyvolanie vzruchu termoreceptormi je dôležitá nielen veľkosť zmeny teploty vzhľadom k teplote kože, ale i doba trvania tejto zmeny.

Ak je porušené spojenie medzi termoregulačnými centrami a perifériou – ochrnutá časť tela mení teplotu pasívne so zmenami v okolí.

Veľmi dôležitá pre termoreguláciu je i úloha endokrinných žliaz:

· Dreň nadobličiek. Vonkajší chlad reflexne podnecuje vylučovanie adrenalínu, ktorý zvyšuje metabolizmus na jednej strane a znižuje straty tepla vazokonstrikciou kožných ciev na druhej strane.

· Štítna žľaza. Hormóny štítnej žľazy zvyšujú zreteľne tvorbu tepla, predovšetkým tým, že zvyšujú intenzitu oxidácií v tkanivách a podnecujú glykogenolýzu a glukogenézu. Dlhší pobyt v chladnom prostredí vyvoláva histologické zmeny v štítnej žľaze, ktoré zabezpečujú jej zvýšenú aktivitu.

· Kôra nadobličiek. Vystavenie vonkajšiemu chladu alebo teplu vyvoláva vylučovanie kortikoidov, ktoré podnecujú tvorbu glukózy. Táto sekrécia je riadená pôsobením adrenokortikotropného hormónu z hypofýzy.

Do termoregulačných dejov zasahuje aj mozgová kôra na základe podmienených reflexov (aktívne vyhľadávanie optimálnych podmienok prostredia, získavanie odolnosti) a nepodmienených reflexov (rôzne emotívne stavy).