- 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.