- Обмен энергии и терморегуляция
Лекция № 25. Обмен энергии и терморегуляция
1. Физиология обмена энергии.
2. Теплообмен и регуляция температуры тела животного.
Для поддержания в организме жизненно важных функций: дыхания, работы сердца, пищеварения, осмотических и химических процессов, а также роста и развития, размножения - необходима энергия. Эта энергия получается при промежуточном обмене веществ. Следовательно, обмен энергии и обмен веществ – это два взаимосвязанных одновременно протекающих процесса.
Пищевая цепь – это перенос энергии пищи от её источника – растений – через ряд организмов, происходящий путём поедания одних организмов другими.
При каждом очередном переносе большая часть (80-90%) потенциальной энергии теряется.
Законы термодинамики в живых системах.
Энергетика организма подчиняется первому и второму закону термодинамики.
Первый закон. Закон сохранения энергии энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую.
Рекомендуемые материалы
Второй закон. Определяет направление превращения энергии. Т. е. энергия самопроизвольно может переходить только с более высокого уровня на более низкий. При этом способность совершать работу уменьшается.
Обмены энергии в клетке. Этот обмен основывается на трёх основных принципах которые отличают живую систему от не живой:
1- химическая энергия может превращаться во все виды энергии без предварительного перехода её в тепловую, и более эффективно используется;
2- освобождение энергии происходит поэтапно, небольшими порциями, что предохраняет организм от «энергетического взрыва;
3- избыток энергии сохраняется и откладывается в виде макроэргических связей АТФ в митохондриях клеток. Митохондрии являются биологическими аккумуляторами энергии.
Химическая энергия АТФ – является универсальной и может превращаться во все другие формы энергии (механическую, тепловую, электрическую).
Запасы АТФ не вечны и постоянно обновляются. Резервом энергии является гликоген печени и мышц, триацилглицериды жировой ткани. В последнюю очередь, как энергетический материал, используются белки печени и мышц.
Пути превращения энергии корма.
1- валовая энергия – это вся энергия, которая заключена в кормах
рациона.
2- переваримая энергия – энергия, которая освобождается при гидролизе питательных веществ рациона в пищеварительной системе.
3- обменная энергия – это часть энергии рациона, которая используется для обеспечения процессов жизнедеятельности и образованная продуктами, т. е. переваримая энергия минус энергия мочи, коловых масс, газов (СН4, СО2), энергия ферментации ~12-15%
4- чистая энергия – часть обменной энергии, которая идёт только на образование различной продукции (мясо, молоко, яйца, шерсть). Одним из видов продукции может быть и мышечная работа у лошадей, валов и т. д.
Показатели энергетических затрат в организме определяются:
1. балансовый метод – это разница между энергией поступившей с кормом и энергией выделенной с экскретами (моча, каловые массы).
2. прямая калориметрия – затраты энергии определяются по общему количеству тепла, которое выделяет тело животного за сутки.
3. непрямая (косвенная) калориметрия – определяет энергетические затраты по интенсивности газообмена.
Балансовый метод.
При этом методе калорийность кормов, входящих в рацион и тепловую ценность экскретов определяют путём сжигания их в калориметрической бомбе.
Калориметрическая бомба – это замкнутая металлическая камера, погружённая в водяную баню. Пробы сжигают при пропускании электрического тока в атмосфере чистого сжатого кислорода.
Учёт тепла, выделенного животным за сутки, ведут в калориметрической камере.
Эта камера термически изолирована от внешней среды. Потери тепла животного регистрируют по нагреванию воды, проходящей по радиатору с постоянной скоростью.
Дефицит кислорода компенсируется поступлением его из баллона.
Избыток СО2 и Н2О (влажность) извлекается поглотителями.
Это громоздкий, но более точный метод.
Непрямая (косвенная) калориметрия.
Газообмен является интегральным показателем уровня окислительных процессов.
Для определения количества поглощенного О2 и выделенного СО2 используют респираторные камеры или маски.
Дыхательный коэффициент – отношение выделенного СО2 к потребляемому О2, т. е. ДК = СО2/ О2
ДК - будет различен:
· при окислении углеводов = 1;
· жира = 0,7;
· белков = 0,8;
· У травоядных ДК = 1;
· у хищников = 0,75.
Основной обмен – это минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности.
Определяется утром, в состоянии полного покоя, лёжа, натощак в условиях температурного комфорта (18-250С).
Величина основного обмена зависит: от возраста, пола, физиологического состояния. У молодых животных основной обмен в 2-3 раза выше чем у взрослых. У коров на 25-30% ниже, чем у быков, у петуха на 20-30% выше, чем у курицы. У коров в период лактации выше на 30-60%, чем в период сухостоя.
Специфическое динамическое действие корма (СДД) – усиление основного обмена на 10-30% в первые часы после приёма корма.
Продуктивный обмен энергии (рабочий) – расход энергии на получение продукции (молоко, яйца, мясо, шерсть и т. д.), на формирование живой массы у растущих животных и выполнение мышечной работы.
Общий обмен энергии – учитывается полный расход энергии при основном и продуктивном обмене.
2. Теплообмен и регуляция температуры тела животного.
Тепловой баланс (гомеостаз) – поддержание постоянной температуры тела независимо от условий внешней среды. Этот баланс базируется на двух функциях – теплопродукция и теплоотдача.
Если эти две функции равны между собой, температура тела будет постоянной.
Гипертермия – повышение температуры тела животного.
Гипотермия - понижение температуры тела животного.
Температурные границы жизни животных, при которых осуществляются основные ферментативные реакции, принимающие участие в обмене веществ колеблются от 00С до 45-500С.
Для млекопитающих животных с постоянной температурой тела эти границы ещё уже – от 150С до 430С.
Выход температуры внешней среды за пределы этих границ заканчивается для животного летальным исходом.
Деление животных по способу регулирования температуры тела.
Делятся на 2 группы:
1 – гомойотермные - животные с постоянной температурой тела тела. Их температура не зависит от температуры окружающей среды и находится в пределах 32 – 400С, у птиц 40-420С.
Лошадь 37,5 - 38,80С
Свинья 38 - 400С
Корова 37,5 - 39,50С
Овца 38 - 410С
Курица 40,3 - 41,70С
2 – пойкилотермные – животные с изменяющейся температурой тела. Их температура тела зависит от температуры окружающей среды и не превышает её более, чем на 2-30С.
Приспособление организма животного к высоким и низким температурам внешней среды осуществляется при помощи химической и физической терморегуляции.
Химическая терморегуляция (теплопродукция) – это изменение интенсивности обмена веществ и энергии в организме. При низких температурах обмен увеличивается, при высоких – уменьшается.
Зона температурного комфорта (термонейтральная зона) – температура внешней среды при которой животные не испытывают ни тепла, ни холода. Среднее колебание этой температуры в диапазоне 14-250С.
Для молодняка (поросята, щенята) 30-350С; для телят (холодный метод выращивания) 5-160С.
Химическая терморегуляция – у взрослых животных хорошо выражена при низких температурах. Этому способствуют морфологические особенности тела животного: повышение метаболизма в тканях и деятельности желёз внутренней секреции, а также повышение теплопродукции за счёт усиленного потребления корма (специфическое динамическое действие корма - СДДК).
Химическая терморегуляция в условиях высоких температур выражена слабо. Потому, что снизить обменные процессы в тканях значительно невозможно:
1- необходима энергия для поддержания жизненоважных функций;
2- из пищеварительной системы постоянно поступают продукты гидролиза при утилизации которых освобождается энергия.
Физическая терморегуляция (теплоотдача) – это совокупность физиологических процессов, ведущих к повышению или понижению рассеивания тепла из организма животного.
Основные пути отдачи тепла во внешнюю среду:
1- конвекция – нагревание окружающего воздуха – расходуется ~31% тепла;
2- излучение (радиация) – это отдача тепла в виде инфракрасных лучей и нагревание окружающих предметов ~ 43,7% тепла;
3- испарение – это превращение пота в газообразное состояние, что приводит к охлаждению поверхности кожи, расходуется ~ 21,7% тепла.
Дополнительные пути отдачи тепла:
1- нагревание пищи в желудочно-кишечном тракте ~ 1,6%;
2- нагревание воздуха в лёгких ~ 1,3%;
3- потери тепла с калом и мочой ~ 0,7%.
При низких температурах отдача тепла конвекцией и радиацией увеличивается, испарением уменьшается.
При высоких температурах отдача тепла испарением увеличивается, конвекцией и радиацией уменьшается.
Ещё посмотрите лекцию "9. Время и место возникновения H.sapiens" по этой теме.
При испарении 1 г. пота организм теряет 2,42 К/Дж энергии.
Центральный механизм терморегуляции.
Гипоталамус (термостат организма) – является высшим центром терморегуляции. Сюда поступает информация с тепловых и Холодовых рецепторов кожи и слизистых оболочек.
Кроме этого в регуляции теплообмена принимают участие и другие нервные центры: сосудодвигательный, дыхательный, сердечной деятельности, двигательные центры спинного мозга.
Гуморальные факторы - гормоны адреналин и тироксин – стимулируют теплопродукцию.