يشير التنظيم الحراري إلى قدرة الكائن الحي على الحفاظ على درجة حرارة الجسم ضمن حدود معينة، حتى عندما تتقلب درجات الحرارة الخارجية بشكل كبير. على العكس من ذلك، فإن الكائن الحي المتوافق حراريًا يطابق درجة حرارته الداخلية بشكل سلبي مع درجة حرارة بيئته، وبالتالي يلغي الحاجة إلى التنظيم الحراري الداخلي. تشكل آلية التنظيم الحراري الداخلي هذه أحد مكونات التوازن، الذي يتميز بالتوازن الديناميكي في الحالة الداخلية للكائن الحي، والذي يستمر على مسافة كبيرة من التوازن الحراري مع البيئة المحيطة به. غالبًا ما يُطلق على دراسة هذه العمليات في علم الحيوان اسم علم البيئة الفسيولوجي.
التنظيم الحراري هو قدرة الكائن الحي على الحفاظ على درجة حرارة الجسم ضمن حدود معينة، حتى عندما تكون درجة الحرارة المحيطة مختلفة تمامًا. على النقيض من ذلك، فإن الكائن الحي المتوافق حراريًا يتبنى ببساطة درجة الحرارة المحيطة بها كدرجة حرارة جسمه، وبالتالي يتجنب الحاجة إلى التنظيم الحراري الداخلي. تعد عملية التنظيم الحراري الداخلي أحد جوانب التوازن: حالة من الاستقرار الديناميكي في الظروف الداخلية للكائن الحي، ويتم الحفاظ عليها بعيدًا عن التوازن الحراري مع بيئته (تُسمى دراسة مثل هذه العمليات في علم الحيوان علم البيئة الفسيولوجي).
في حالة فشل الجسم في الحفاظ على درجة الحرارة المعيارية، وارتفاعه بشكل كبير فوق خط الأساس هذا، يتم تحديد الحالة على أنها ارتفاع الحرارة. يمكن أن يظهر ارتفاع الحرارة المميت عند البشر إذا ظلت درجة حرارة البصيلة الرطبة أعلى من 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) لمدة ست ساعات. أظهرت الأبحاث التجريبية التي أجريت في عام 2022 أن درجة حرارة البصيلة الرطبة التي تتجاوز 30.55 درجة مئوية تسببت في إجهاد حراري غير قابل للتعويض لدى الشباب البالغين الأصحاء. الحالة العكسية، التي تتميز بانخفاض درجة حرارة الجسم إلى ما دون العتبات النموذجية، تسمى انخفاض حرارة الجسم. يحدث هذا عندما تضعف آليات الجسم المتوازنة لتنظيم الحرارة، مما يؤدي إلى فقدان صافي للحرارة يتجاوز إنتاج الحرارة. في حين أن متوسط درجة حرارة الجسم الطبيعية يبلغ حوالي 37 درجة مئوية (98.6 درجة فهرنهايت)، فإن انخفاض حرارة الجسم يبدأ عندما تنخفض درجة حرارة الجسم الأساسية إلى أقل من 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت). ينتج انخفاض حرارة الجسم عادة عن التعرض لفترات طويلة للبيئات الباردة، ويتم التحكم في انخفاض حرارة الجسم بشكل عام من خلال التدخلات المصممة لاستعادة درجة حرارة الجسم إلى نطاقها الفسيولوجي.
ولم يعد الوصول إلى البيانات الدقيقة المتعلقة بدرجات حرارة الحيوانات متاحًا إلا مع ظهور موازين الحرارة. كشفت الملاحظات اللاحقة عن اختلافات حرارية موضعية، حيث يختلف توليد الحرارة وتبديدها بشكل كبير عبر مناطق الجسم المختلفة، على الرغم من دور الجهاز الدوري في معادلة متوسط درجة حرارة الهياكل الداخلية. وبالتالي، من الضروري تحديد المواقع التشريحية التي تمثل درجة حرارة الأعضاء الداخلية بدقة أكبر. علاوة على ذلك، لضمان إمكانية مقارنة النتائج، يجب إجراء القياسات في ظل ظروف موحدة. تاريخيًا، تم اعتبار المستقيم المؤشر الأكثر دقة لدرجات الحرارة الداخلية، على الرغم من أنه في بعض الأجناس أو الأنواع، قد يخدم المهبل أو الرحم أو المثانة أيضًا هذا الغرض. تظهر بعض الأنواع الحيوانية أشكالًا مختلفة من السكون، حيث تسمح عمليات التنظيم الحراري الخاصة بها مؤقتًا بانخفاض درجة حرارة الجسم، مما يسهل الحفاظ على الطاقة. وتشمل الأمثلة البارزة السبات في الدببة والسبات في الخفافيش.
تصنيف الأنواع الحيوانية على أساس السمات الحرارية
الحرارة الماصة والحرارة الخارجية: تحليل مقارن
يمتد التنظيم الحراري في الكائنات الحية على طول سلسلة متصلة من الحرارة الداخلية إلى الحرارة الخارجية. الكائنات الحية الماصة للحرارة تولد الحرارة في المقام الأول من خلال الأنشطة الأيضية وتعرف عادة باسم ذوات الدم الحار. في الظروف المحيطة الباردة، ترفع ذوات الحرارة الداخلية إنتاجها من الحرارة الأيضية للحفاظ على درجة حرارة الجسم مستقرة، مما يجعل درجة حرارتها الداخلية مستقلة إلى حد كبير عن التقلبات البيئية. تظهر ذوات الحرارة الداخلية كثافة ميتوكوندريا أعلى لكل خلية مقارنة بذوات الحرارة الخارجية، مما يسهل توليد المزيد من الحرارة عن طريق تسريع عملية التمثيل الغذائي للدهون والكربوهيدرات. وعلى العكس من ذلك، تعتمد الكائنات ذات الحرارة الخارجية على مصادر حرارية خارجية لإدارة درجات حرارة الجسم. يُطلق عليهم بالعامية اسم ذوات الدم البارد، على الرغم من أن درجات حرارة أجسامهم تظل في كثير من الأحيان ضمن نطاقات مماثلة لتلك الموجودة في الحيوانات ذوات الدم الحار. تمثل ذوات الحرارة الخارجية نقيض ذوات الحرارة الداخلية فيما يتعلق بتنظيم درجة الحرارة الداخلية. بالنسبة إلى ذوات الحرارة الخارجية، تساهم مصادر الحرارة الفسيولوجية الجوهرية بشكل ضئيل؛ العامل السائد الذي يمكّنهم من الحفاظ على درجات حرارة الجسم المناسبة ينبع من التأثيرات البيئية. إن الإقامة في بيئات ذات درجات حرارة ثابتة على مدار العام، مثل المناطق الاستوائية أو أعماق المحيطات، قد عززت تطور الاستراتيجيات السلوكية لدى ذوات الحرارة الخارجية للاستجابة للظروف الحرارية الخارجية، بما في ذلك الاستمتاع بأشعة الشمس لرفع درجة حرارة الجسم أو البحث عن الظل لتقليلها.
الكائنات خارجية الحرارة
آليات التبريد الخارجي
- التبخير:
- تتضمن هذه العملية تبخر العرق وسوائل الجسم الأخرى.
- الحمل الحراري:
- تعمل الدورة الدموية المحسنة في مناطق الجسم السطحية على تسهيل نقل الحرارة الأقصى عبر التدرج المتجهي.
- التوصيل:
- يحدث فقدان الحرارة من خلال الاتصال المباشر بسطح أكثر برودة. ومن الأمثلة التوضيحية
- الاستلقاء على أرض باردة.
- الانغماس في البيئات المائية مثل الأنهار أو البحيرات أو البحر.
- وضع الطين البارد كغطاء.
- يحدث فقدان الحرارة من خلال الاتصال المباشر بسطح أكثر برودة. ومن الأمثلة التوضيحية
- الإشعاع:
- تبديد حرارة الجسم عن طريق الإشعاع .
التدفئة الخارجية (أو تقليل فقدان الحرارة)
- الحمل الحراري :
- الصعود إلى مواقع مرتفعة، بما في ذلك الأشجار أو التلال أو النتوءات الصخرية.
- البحث عن الماء الدافئ أو تيارات الهواء.
- إنشاء عش أو جحر معزول.
- التوصيل:
- الاستلقاء على سطح ساخن.
- الإشعاع:
- الاستلقاء تحت أشعة الشمس المباشرة، حيث تتأثر فعالية التدفئة باتجاه الجسم بالنسبة للشمس.
- طي الجلد لتقليل تعرض مساحة السطح إلى أدنى حد.
- إخفاء أسطح الأجنحة.
- كشف أسطح الأجنحة.
- العزل:
- تعديل شكل الجسم لضبط نسبة السطح إلى الحجم.
- تضخيم الجسم.
لقد طورت بعض أنواع الأسماك آليات للحفاظ على الوظيفة الفسيولوجية في درجات حرارة المياه شبه المتجمدة، وغالبًا ما تستخدم مركبات طبيعية مضادة للتجمد أو بروتينات مضادة للتجمد لمنع تكوين بلورات الجليد داخل أنسجتها. تقوم البرمائيات والزواحف بإدارة اكتساب الحرارة من خلال التبريد التبخيري والتعديلات السلوكية المختلفة. يتضمن التكيف السلوكي الملحوظ السحالي التي تتشمس على الصخور الدافئة، وبالتالي تكتسب الحرارة عن طريق الإشعاع والتوصيل.
امتصاص الحرارة
يتم تعريف الحيوان الماص للحرارة على أنه حيوان قادر على تنظيم درجة حرارة جسمه داخليًا، وعادةً ما يحافظ عليها عند مستوى ثابت. لتحقيق التنظيم الحراري، قد يحتاج الكائن الحي إلى تخفيف امتصاص الحرارة، خاصة في البيئات القاحلة. إن فقدان الماء بالتبخر، والذي يحدث إما عبر أغشية الجهاز التنفسي أو من خلال الجلد في الأنواع التي تمتلك غددًا عرقية، يسهل خفض درجة حرارة الجسم إلى حدود التحمل الفسيولوجي للكائن الحي. تُظهر الحيوانات المغطاة بالفراء قدرة محدودة على التعرق، وبالتالي تعتمد بشكل كبير على اللهاث لزيادة تبخر الماء من الأسطح الرطبة للرئتين واللسان وتجويف الفم. تستخدم أنواع الثدييات مثل القطط والأنياب والخنازير في المقام الأول اللهاث أو طرقًا بديلة للتنظيم الحراري، حيث تمتلك غددًا عرقية حصريًا على وسادات الأقدام والأنف. يعمل العرق المتولد على وسادات القدمين، وراحتي اليدين، والأخمصين في الغالب على زيادة الاحتكاك وتحسين القبضة. تخفف أنواع الطيور أيضًا من ارتفاع الحرارة من خلال الرفرفة الحلقية، والتي تتميز بالتذبذبات السريعة للجلد الحلقي (الحلق). يحبس الريش السفلي الهواء الدافئ بشكل فعال، ويعمل كعوازل فائقة، على غرار الدور العازل للشعر في الثدييات. يكون تكامل الثدييات أكثر سمكًا بكثير من تكامل الطيور، وغالبًا ما يتميز بطبقة مستمرة تحت الجلد من الدهون العازلة تحت الأدمة. في الثدييات المائية، بما في ذلك الحيتانيات، والأنواع التي تعيش في بيئات شديدة البرودة، مثل الدببة القطبية، تسمى هذه الطبقة الدهنية بالدهن. علاوة على ذلك، فإن القشرة الكثيفة التي لوحظت في ذوات الحرارة الصحراوية، والتي تتمثل في الجمال، تساهم في منع اكتساب الحرارة.
تتضمن الإستراتيجية الشائعة للتعامل مع الظروف الباردة انخفاضًا مؤقتًا في معدل الأيض، مما يقلل من التدرج الحراري بين الحيوان وبيئته المحيطة، وبالتالي تقليل فقدان الحرارة. علاوة على ذلك، فإن انخفاض معدل الأيض يستلزم انخفاض استهلاك الطاقة. تتحمل العديد من الأنواع الحيوانية الليالي الباردة عن طريق الدخول في حالة السبات، وهو انخفاض عابر قصير المدى في درجة حرارة الجسم. عند مواجهة التحدي المتمثل في التنظيم الحراري، لا تمتلك الكائنات الحية تكيفات سلوكية وفسيولوجية وهيكولوجية فحسب، بل تمتلك أيضًا نظام ردود فعل معقد مصمم لتنشيط هذه التكيفات للتحكم المناسب في درجة الحرارة. تشتمل المكونات الأساسية لهذا النظام على المحفز، والمستقبل، والمُعدِّل، والمستجيب، متبوعًا بالتغذية المرتدة من درجة الحرارة المنظمة حديثًا إلى المحفز. وهذه الآلية الدورية مفيدة في الحفاظ على التوازن.
Homeothermy مقابل Poikilothermy
تحدد المعالجة الحرارية المنزلية والتدفئة الحرارية استقرار درجة حرارة الجسم الأساسية للكائن الحي. غالبية الكائنات الحية الماصة للحرارة، مثل الثدييات، تظهر الحرارة المنزلية. على العكس من ذلك، فإن الحيوانات التي تظهر عليها القدرة على امتصاص الحرارة الاختيارية تظهر في كثير من الأحيان تسممًا بالحرارة، والذي يتميز بتقلبات كبيرة في درجة حرارتها الداخلية. تُصنف معظم الأسماك على أنها كائنات خارجية الحرارة، تستمد معظم حرارتها من المياه المحيطة بها؛ وبالتالي، فإن جميع الأسماك تقريبًا تكون متفاعلة للحرارة.
الفقاريات
من خلال الملاحظات المكثفة لكل من البشر والحيوانات، أثبت جون هانتر أن التمييز الأساسي بين الحيوانات التي يطلق عليها تقليديًا "ذوات الدم الحار" و"ذوات الدم البارد" يكمن في درجة الحرارة الداخلية الثابتة للأولى ودرجة الحرارة المتغيرة للأخيرة. تقريبا جميع أنواع الطيور والثدييات تحافظ على درجة حرارة الجسم مرتفعة باستمرار، مستقلة إلى حد كبير عن الظروف الجوية المحيطة (الحرارة المنزلية). على العكس من ذلك، تظهر جميع المجموعات الحيوانية الأخرى تقريبًا تقلبات في درجة حرارة الجسم تعتمد على البيئة المحيطة بها (التبويل الحراري).
التنظيم العصبي
يتم تنظيم التنظيم الحراري في كل من ذوات الحرارة الخارجية وذوات الدم الداخلي بشكل أساسي من خلال المنطقة أمام البصرية (POA) في منطقة ما تحت المهاد الأمامي. في الفئران، تعتبر الخلايا العصبية الموجودة داخل منطقة POA التي تعبر عن مستقبل البروستاجلاندين E 3 (EP3) محورية في التنظيم الحراري ثنائي الاتجاه. تمارس الخلايا العصبية المعبرة عن EP3 في POA تحكمًا مثبطًا مستمرًا (منشطًا) على الخلايا العصبية الناتجة الودية في منطقة ما تحت المهاد الظهراني الإنسي (DMH) ونواة الرفاء الشاحب المنقاري في النخاع المستطيل (rRPa) من خلال الناقل العصبي حمض غاما أمينوبوتيريك (GABA). في بيئة حارة، يتم تكثيف هذه الإشارات المثبطة المنشطة الصادرة عن الخلايا العصبية POA التي تعبر عن EP3، وبالتالي قمع الإخراج الودي. يؤدي هذا القمع إلى انخفاض إنتاج الحرارة وتوسيع الأوعية الدموية في الجلد، مما يسهل بعد ذلك تبديد الحرارة من سطح الجسم. على العكس من ذلك، في البيئة الباردة، يتضاءل التثبيط المنشط من الخلايا العصبية POA التي تعبر عن EP3، مما يؤدي إلى زيادة (إزالة التثبيط) في الإنتاج الودي. يؤدي هذا إلى زيادة إنتاج الحرارة وتضيق الأوعية الدموية في الجلد، وبالتالي تقليل تبديد الحرارة. يمكن أيضًا تخفيف التثبيط المنشط من الخلايا العصبية POA التي تعبر عن EP3 عن طريق عمل البروستاجلاندين E2 (PGE2)، الذي يسبب الحمى. تم اقتراح هذا التحكم المثبط المنشط لدرجة حرارة الجسم في البداية كآلية للحمى في عام 2002 ثم تم تأسيسه لاحقًا كمبدأ أساسي لاستتباب درجة حرارة الجسم لدى الثدييات في عام 2022. ويعمل هذا التنظيم الاستتبابي بشكل مستقل عن الإحساس بدرجة الحرارة.
التنظيم الحراري للطيور والثدييات
في البيئات شديدة البرودة، تستخدم أنواع الطيور والثدييات تكيفات واستراتيجيات محددة للتخفيف من فقدان الحرارة:
- يؤدي انقباض العضلات الملساء الصغيرة، وتحديدًا مقصفة الشعر في الثدييات، المرتبطة بالريش أو أعمدة الشعر، إلى انتصاب الشعر (المعروف باسم نتوءات القشعريرة أو بثور القشعريرة). تعمل هذه الظاهرة على تغيير سطح الجلد، حيث تحبس طبقة من الهواء مما يقلل من فقدان الحرارة بالحمل الحراري.
- تسهل الزيادة في حجم الجسم الحفاظ على درجة حرارة الجسم الأساسية، بما يتماشى مع قاعدة بيرجمان، التي تفترض أن الحيوانات الماصة للحرارة في المناخات الباردة تميل إلى أن تكون أكبر من الأنواع ذات الصلة الوثيقة في المناطق الأكثر دفئًا.
- تمتلك القدرة على تخزين الطاقة الأيضية على شكل أنسجة دهنية.
- إظهار انخفاض في طول الأطراف.
- استخدام تدفق الدم المعاكس في الزوائد، وهي آلية حيث ينقل الدم الشرياني الدافئ المتدفق نحو الطرف الحرارة لتبريد الدم الوريدي العائد من الطرف، وبالتالي تسخين الدم الوريدي وتبريد الإمداد الشرياني.
على العكس من ذلك، في البيئات الدافئة، تستخدم أنواع الطيور والثدييات التكيفات والاستراتيجيات اللاحقة لتحقيق أقصى قدر من تبديد الحرارة:
- تنفيذ التكيفات السلوكية، مثل الاختباء النهاري والنشاط الليلي.
- استخدام آليات التبريد بالتبخير، بما في ذلك العرق واللهاث والتعرق البولي في أنواع الطيور.
- تركيز احتياطيات الدهون في منطقة واحدة لتقليل خصائصها العازلة عبر سطح الجسم.
- تمتلك أطرافًا طويلة وممتلئة بالأوعية الدموية بشكل متكرر لتسهيل توصيل حرارة الجسم إلى الهواء المحيط.
التنظيم الحراري للإنسان
يشكل التنظيم الحراري عنصرًا حاسمًا في التوازن البشري، على غرار دوره في أنواع الثدييات الأخرى. تنشأ غالبية حرارة الجسم في الأعضاء العميقة، وخاصة الكبد والدماغ والقلب، وكذلك من تقلص العضلات الهيكلية. لقد أظهر البشر قدرة ملحوظة على التكيف مع الظروف المناخية المتنوعة، التي تشمل البيئات الحارة الرطبة والساخنة القاحلة. تفرض درجات الحرارة المرتفعة ضغطًا فسيولوجيًا كبيرًا على جسم الإنسان، مما يمثل مخاطر كبيرة للإصابة أو حتى الوفاة. على سبيل المثال، يمثل الإنهاك الحراري استجابة سائدة لدرجات الحرارة المرتفعة، ويظهر كمرض يمكن أن يحدث بعد التعرض لظروف حرارية مرتفعة، مع أعراض تشمل الدوخة، والإغماء، أو عدم انتظام دقات القلب. يتضمن تكيف الإنسان مع الظروف المناخية المتقلبة آليات فسيولوجية، وهي نتاج للتطور، وآليات سلوكية، تنبع من التعديلات الثقافية الواعية. يتم التنظيم الفسيولوجي لدرجة حرارة الجسم الأساسية بشكل أساسي عن طريق منطقة ما تحت المهاد، والتي تعمل بمثابة "منظم الحرارة" المركزي في الجسم. يشتمل هذا العضو على آليات التحكم وأجهزة استشعار درجة الحرارة الأساسية، والتي ترتبط بخلايا عصبية متخصصة تعرف باسم المستقبلات الحرارية. يتم تصنيف المستقبلات الحرارية إلى نوعين فرعيين: تلك التي تستجيب لدرجات الحرارة الباردة وتلك التي تستجيب لدرجات الحرارة الدافئة. تظهر هذه الخلايا العصبية، الموزعة عبر الجهازين العصبيين المحيطي والمركزي، حساسية لتقلبات درجات الحرارة وتنقل المعلومات المهمة إلى منطقة ما تحت المهاد عبر ردود فعل سلبية، وبالتالي الحفاظ على درجة حرارة أساسية مستقرة.
يحدث تبديد الحرارة من خلال أربع آليات أساسية: التبخر، والحمل الحراري، والتوصيل، والإشعاع. عندما تتجاوز درجة حرارة الجلد درجة حرارة الهواء المحيط، يمكن للجسم التخلص من الحرارة عن طريق الحمل الحراري والتوصيل. وعلى العكس من ذلك، إذا تجاوزت درجة حرارة الهواء المحيط درجة حرارة الجلد، فإن الجسم يكتسب الحرارة من خلال الحمل الحراري والتوصيل. في ظل هذه الظروف، يمثل التبخر الآلية الوحيدة للجسم لتبديد الحرارة. وبالتالي، عندما تتجاوز درجة حرارة البيئة درجة حرارة الجلد، فإن أي عامل يعيق التبخر الكافي سيؤدي إلى زيادة درجة حرارة الجسم الداخلية. خلال فترات المجهود البدني المكثف، مثل الأنشطة الرياضية، يظهر التبخر باعتباره المسار السائد لفقد الحرارة. تؤثر الرطوبة على التنظيم الحراري عن طريق تقييد تبخر العرق، وبالتالي إعاقة تبديد الحرارة.
في الزواحف
يعد التنظيم الحراري أيضًا أمرًا أساسيًا لحياة الزواحف، خاصة بالنسبة للسحالي مثل Microlophus occipitalis وCtenophorus Decresii، مما يستلزم تغييرات في الموائل الدقيقة للحفاظ على درجة حرارة الجسم مستقرة. من خلال الانتقال إلى بيئات أكثر برودة أثناء الحرارة المفرطة والمناطق الأكثر دفئًا خلال فترات البرد، يمكن لهذه الزواحف تنظيم درجة حرارتها سلوكيًا لتبقى ضمن النطاقات الفسيولوجية المثالية.
في النباتات
يظهر التوليد الحراري في أزهار العديد من النباتات ضمن عائلة Araceae، وكذلك في مخاريط السيكاد. علاوة على ذلك، تُظهر زهرة اللوتس المقدسة (Nelumbo nucifera) قدرات تنظيمية حرارية، حيث تحافظ على متوسط درجة حرارة 20 درجة مئوية (36 درجة فهرنهايت) أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط أثناء مرحلة ازدهارها. ينتج توليد الحرارة في هذه النباتات عن تقويض احتياطيات النشا في جذورها، وهي عملية تتطلب استهلاك الأكسجين بمعدل مماثل لمعدل الطائر الطنان الذي يحوم.
يتضمن الأساس المنطقي المحتمل للتنظيم الحراري للنبات توفير الحماية ضد درجات الحرارة المنخفضة. على سبيل المثال، على الرغم من افتقاره إلى مقاومة الصقيع، يبدأ ملفوف الظربان في النمو والإزهار بينما يستمر الغطاء الثلجي. تفترض فرضية بديلة أن توليد الحرارة يساعد في جذب الملقحات، مدعومة بالملاحظات التي تربط إنتاج الحرارة بوجود الخنافس أو الذباب.
تُعرف بعض أنواع النباتات بقدرتها على الدفاع ضد درجات الحرارة الباردة من خلال استخدام البروتينات المضادة للتجمد. تُلاحظ هذه الظاهرة في القمح (Triticum aestivum)، والبطاطس (Solanum tuberosum)، والعديد من أنواع كاسيات البذور الأخرى.
تنظيم درجة الحرارة السلوكية
بعيدًا عن البشر، تنظم الحيوانات درجة حرارة أجسامها وتحافظ عليها من خلال التعديلات الفسيولوجية والاستراتيجيات السلوكية. السحالي الصحراوية، كونها خارجية الحرارة، لا يمكنها تنظيم درجة حرارتها داخليًا. ونتيجة لذلك، ينتقل العديد من السحالي إلى مناطق أكثر ملائمة للبيئة للتحكم في درجة حرارتها الداخلية. في الصباح، قد يبدأون هذه العملية برفع رؤوسهم من الجحر قبل تعريض جسدهم بالكامل. من خلال الاستلقاء تحت أشعة الشمس، تمتص السحالي حرارة الشمس، ويمكنها أيضًا الحصول على الحرارة عن طريق التوصيل من الصخور الدافئة التي خزنت الطاقة الشمسية المشعة. لخفض درجة حرارتها، تظهر السحالي سلوكيات متنوعة. في البحار الرملية، حيث يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى 57.7 درجة مئوية (135.9 درجة فهرنهايت)، قد ترفع السحالي الرملية أقدامها لتبرد، أو تسعى للاتصال بأشياء أكثر برودة، أو تجد الظل، أو تتراجع إلى جحورها. كما أنها تستخدم الجحور لمنع التبريد المفرط عندما تنخفض درجات الحرارة المحيطة. وبالمثل، تنظم الحيوانات المائية درجة حرارتها سلوكيًا عن طريق ضبط موقعها ضمن التدرج الحراري. تمت ملاحظة سلوك الانبطاح المترامي الأطراف في مكان بارد ومظلل، يُطلق عليه "البقع"، في السناجب أثناء الطقس الحار.
تشارك الحيوانات أيضًا في عملية الكليبتوثرميا، وهي عملية تنطوي على مشاركة أو اكتساب دفء الجسم من الآخرين. يُلاحظ Kleptothermy بشكل خاص بين الأحداث من ذوات الدم الحار، مثل الخفافيش وأنواع الطيور المختلفة، بما في ذلك طائر الفأر والبطريق الإمبراطور. تعمل هذه الإستراتيجية على تعزيز القصور الحراري لدى الأفراد، على غرار الحرارة الهائلة، وبالتالي تقليل فقدان الحرارة. تتشارك بعض كائنات خارجية الحرارة الجحور مع كائنات خارجية أخرى، بينما يستغل البعض الآخر أكوام النمل الأبيض.
تحافظ بعض الحيوانات التي تعيش في البيئات الباردة على درجة حرارة أجسامها عن طريق تخفيف فقدان الحرارة. تزداد كثافة الفراء لزيادة العزل. تظهر بعض الأنواع درجة حرارة متغايرة إقليمية، مما يسمح للأطراف الأقل عزلًا بالتبريد بدرجة أقل بكثير من درجة حرارة الجسم الأساسية، والتي تقترب من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت). يقلل هذا التكيف بشكل فعال من تبديد الحرارة من خلال أجزاء الجسم مثل الساقين والقدمين (أو الحوافر) والأنف.
تستخدم الأنواع المميزة من ذبابة الفاكهة في صحراء سونوران أنواعًا مختلفة من الصبار بناءً على الاختلافات في التحمل الحراري بين أنواع الذباب ومضيفيها. على سبيل المثال، Drosophila mettleri يسكن نباتات الصبار مثل الساجوارو والسينيتا، والتي تحافظ على درجات حرارة أكثر برودة من خلال تخزين المياه. بمرور الوقت التطوري، انخفضت الجينات التي تمنح قدرة تحمل أعلى للحرارة ضمن مجموعة الذباب هذه بسبب المناخ المضيف الأكثر برودة الذي تمكنت من استغلاله.
تضع بعض أنواع الذباب، مثل Lucilia sericata، بيضها في مجموعات كبيرة. يمكن للكتلة اليرقية الناتجة، اعتمادًا على حجمها، التنظيم الحراري، والحفاظ على درجة الحرارة المثالية لنموها.
تستخدم الكوالا أيضًا التنظيم الحراري السلوكي من خلال البحث عن أقسام أكثر برودة من الأشجار في الأيام الحارة. ويفضلون وضع أنفسهم حول أبرد أجزاء الأشجار، بالقرب من القاعدة عادةً، لتعزيز الإشعاع السلبي لحرارة أجسامهم الداخلية.
الإسبات، والإسبات، والسبات اليومي
للتعامل مع الموارد الغذائية الشحيحة ودرجات الحرارة المنخفضة، تدخل بعض الثدييات في حالة سبات خلال فترات البرد. للحفاظ على فترات طويلة من "الركود"، تقوم هذه الحيوانات بتجميع احتياطيات من الدهون البنية وتبطئ جميع وظائف الجسم. تحافظ السباتات الحقيقية، مثل جرذ الأرض، على درجات حرارة منخفضة للجسم باستمرار طوال فترة السبات، في حين تتقلب درجة الحرارة الأساسية للسباتات الزائفة، مثل الدببة، مع ظهور قصير من أوكارها. تعتبر بعض أنواع الخفافيش سباتًا حقيقيًا وتعتمد على التوليد الحراري السريع وغير المرتجف من رواسب الدهون البنية الخاصة بها للاستيقاظ من السبات.
يحدث السبات، المشابه للسبات، عادةً خلال الفترات الحارة، مما يمكّن الحيوانات من تجنب درجات الحرارة المرتفعة والجفاف. تشارك كل من اللافقاريات والفقاريات الأرضية والمائية في عملية التخمين. تشمل الأمثلة الخنافس النسائية (Coccinellidae)، وسلاحف صحراء أمريكا الشمالية، والتماسيح، والسلمندر، وضفدع القصب، والضفدع الذي يحتفظ بالمياه.
يُلاحظ السبات اليومي في ذوات الدم الحار الصغيرة، مثل الخفافيش والطيور الطنانة، مما يقلل مؤقتًا من معدلات الأيض المرتفعة للحفاظ على الطاقة.
تنوع الحيوانات
درجة حرارة الإنسان الأساسية
تاريخيًا، تم تحديد متوسط درجة حرارة الفم للبالغين الأصحاء عند 37.0 درجة مئوية (98.6 درجة فهرنهايت)، مع نطاق طبيعي يمتد من 36.1 إلى 37.8 درجة مئوية (97.0 إلى 100.0 درجة فهرنهايت). في المقابل، كانت قياسات درجة الحرارة الإبطية (تحت الذراع) قياسية في الصين وبولندا وروسيا، حيث اعتبرت 36.6 درجة مئوية (97.9 درجة فهرنهايت) درجة الحرارة "المثالية"، ويمتد النطاق النموذجي من 36.0 إلى 36.9 درجة مئوية (96.8 إلى 98.4 درجة فهرنهايت).
تشير الأبحاث المعاصرة إلى أن متوسط درجة حرارة الجسم للبالغين الأصحاء هو 36.8 درجة مئوية (98.2 درجة فهرنهايت). درجة فهرنهايت)، وهي النتيجة التي أكدتها ثلاث دراسات مستقلة. تشير الدراسات الإضافية إلى وجود اختلافات (انحراف معياري واحد) على النحو التالي:
- 36.4–37.1 درجة مئوية (97.5–98.8 درجة فهرنهايت)
- 36.3-37.1 درجة مئوية (97.3-98.8 درجة فهرنهايت) للذكور،
36.5-37.3 درجة مئوية (97.7-99.1 درجة فهرنهايت) للإناث - 36.6–37.3 درجة مئوية (97.9–99.1 درجة فهرنهايت)
يؤثر موقع قياس درجة الحرارة على القيمة المسجلة؛ تكون درجات الحرارة المستقيمية عادةً أعلى بمقدار 0.3-0.6 درجة مئوية (0.5-1.1 درجة فهرنهايت) من القراءات الفموية، في حين تكون درجات الحرارة الإبطية أقل بمقدار 0.3-0.6 درجة مئوية (0.5-1.1 درجة فهرنهايت) من القياسات الفموية. على وجه التحديد، كشفت دراسة أجريت على أطفال هنود تتراوح أعمارهم بين 6 و12 عامًا عن وجود فرق متوسط قدره 0.1 درجة مئوية فقط (الانحراف المعياري 0.2 درجة مئوية) بين درجات الحرارة عن طريق الفم والإبط. بالنسبة للأطفال المالطيين الذين تتراوح أعمارهم بين 4 و14 عامًا، كان متوسط الفرق بين درجات حرارة الفم والإبط 0.56 درجة مئوية، بينما بالنسبة للأطفال دون سن 4 سنوات، كان متوسط الفرق بين درجات حرارة المستقيم والإبط 0.38 درجة مئوية.
تقلبات درجة الحرارة الناجمة عن إيقاع الساعة البيولوجية
يُظهر البشر تباينًا نهاريًا في درجة حرارة الجسم، والذي يرتبط بدورات الراحة والنشاط، حيث يصل إلى أدنى مستوياته بين الساعة 11 مساءً. و3 صباحًا وتبلغ ذروتها من الساعة 10 صباحًا حتى 6 مساءً. تظهر القرود بالمثل تقلبات واضحة ومتسقة في درجات الحرارة النهارية تتماشى مع أنماط نشاطها، بغض النظر عن ظروف الإضاءة المحيطة؛ على سبيل المثال، تسجل القرود الليلية أعلى درجات حرارة لجسمها في الليل وأدنى درجات حرارة أثناء النهار. ساذرلاند سيمبسون وج. وأشار غالبريث إلى أن جميع الحيوانات والطيور الليلية، التي ينعكس نشاطها وفترات الراحة بشكل طبيعي عن طريق العادة وليس العوامل الخارجية، تعاني من درجات حرارة الذروة خلال مرحلتها النشطة (الليل) وأدنى درجات الحرارة خلال مرحلة الراحة (النهار). يمكن عكس أنماط درجات الحرارة النهارية هذه من خلال التغييرات في روتينها اليومي.
في الأساس، يوازي منحنى التنظيم الحراري للطيور النهارية منحنى التنظيم الحراري للبشر والأنواع الأخرى التي تتمتع بالحرارة المنزلية، على الرغم من أن درجة الحرارة القصوى لها تحدث في وقت مبكر من بعد الظهر والحد الأدنى في وقت مبكر من الصباح. علاوة على ذلك، فإن درجات الحرارة المسجلة في الأرانب والخنازير الغينية والكلاب تشبه إلى حد كبير تلك التي لوحظت في البشر. وتشير هذه النتائج مجتمعة إلى أن إيقاعات الساعة البيولوجية تلعب دورًا في التنظيم الجزئي لدرجة حرارة الجسم.
تقلبات درجات الحرارة المرتبطة بالدورة الشهرية
خلال المرحلة الجريبية، والتي تمتد من بداية الحيض حتى الإباضة، يتراوح متوسط درجة حرارة الجسم الأساسية (BBT) لدى النساء عادة من 36.45 إلى 36.7 درجة مئوية (97.61 إلى 98.06 درجة فهرنهايت). في غضون 24 ساعة بعد الإباضة، تحدث زيادة في درجة الحرارة بمقدار 0.15-0.45 درجة مئوية (0.27-0.81 درجة فهرنهايت)، ويعزى ذلك إلى ارتفاع معدل الأيض الناجم عن الارتفاع الحاد في مستويات البروجسترون. طوال المرحلة الأصفرية، يبقى BBT بين 36.7-37.3 درجة مئوية (98.1-99.1 درجة فهرنهايت)، ثم يعود بعد ذلك إلى مستويات ما قبل الإباضة في غضون أيام قليلة من الحيض. يمكن للنساء مراقبة هذا التغيير الفسيولوجي للتأكد من توقيت الإباضة، وبالتالي المساعدة في استراتيجيات الحمل أو منع الحمل.
تغيرات درجات الحرارة الناجمة عن الحمى
تمثل الحمى زيادة محكومة في نقطة ضبط درجة حرارة الجسم الأساسية تحت المهاد، والتي تنجم عن تعميم البيروجينات الناتجة عن الجهاز المناعي. قد يشعر الأفراد الذين يعانون من ارتفاع حموي في درجة الحرارة الأساسية بالبرودة في بيئة مريحة للأفراد المصابين بالحمى. في حين أن الحمى الفسيولوجية والسلوكية يمكن أن تعزز الدفاعات المناعية، إلا أنه يتم تطبيق بعض القيود والاعتبارات.
تعديل درجة الحرارة المتعلقة بالارتجاع البيولوجي
من المعروف أن بعض ممارسي الرهبنة يشاركون في Tummo، وهو شكل من أشكال تأمل الارتجاع البيولوجي الذي يمكّنهم من رفع درجات حرارة الجسم الأساسية بشكل ملحوظ.
التأثير على طول العمر
يمثل التحقيق في تأثيرات طول العمر للتغيرات المستحثة وراثيًا في درجة حرارة جسم الإنسان تحديات بحثية كبيرة.
الحدود الفسيولوجية للبقاء على قيد الحياة
تمتلك الحيوانات الماصة للحرارة نطاقات تحمل حراري أضيق مقارنة بالحيوانات خارجية الحرارة، والتي يمكنها تحمل درجات الحرارة القصوى بشكل كبير مع الحفاظ على قدرتها على الحياة. يؤدي التعرض لدرجات حرارة منخفضة للغاية إلى انخفاض معدل الأيض، وبالتالي تقليل توليد الحرارة. يؤثر هذا القمع الأيضي على كل من العمليات التقويضية والابتنائية، مما يؤدي إلى عجز صاف حيث ينخفض إنفاق الطاقة، لكن إنتاج الطاقة ينخفض بشكل أكبر. يتأثر الجهاز العصبي المركزي، وخاصة مناطق الدماغ المرتبطة بالوعي، في البداية وبشكل عميق بهذا الانخفاض الأيضي. ويتجلى ذلك في انخفاض معدلات ضربات القلب والتنفس، وضعف الحكم، والنعاس التدريجي، مما يؤدي في النهاية إلى فقدان الوعي. وبدون التدخل الطبي في الوقت المناسب، يصبح انخفاض حرارة الجسم قاتلاً بسرعة. في بعض الحالات، قد تحدث تشنجات نهائية، حيث يكون الاختناق هو السبب النهائي للوفاة.
أظهر البحث الذي أجراه ساذرلاند سيمبسون وبيرسي تي. هيرينج على القطط أن الأشخاص لا يمكنهم البقاء على قيد الحياة عندما تنخفض درجة حرارة المستقيم إلى أقل من 16 درجة مئوية (61 درجة فهرنهايت). عند درجة الحرارة المنخفضة الحرجة هذه، تضعف وظيفة الجهاز التنفسي تدريجيًا. تستمر النبضات القلبية عادة بعد توقف التنفس، وتظهر عدم انتظام كبير، وغالبًا ما تتوقف مؤقتًا قبل استئنافها. تنجم الوفيات في المقام الأول عن الاختناق، حيث يكون المؤشر النهائي للوفاة هو غياب ردود الفعل غير المحسوبة.
على العكس من ذلك، تعمل درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط على تسريع عملية التمثيل الغذائي للأنسجة إلى درجة تستنزف احتياطياتها الأيضية بسرعة. يؤدي ارتفاع حرارة الدم إلى ضيق التنفس عن طريق استنفاد القدرة الأيضية لمركز الجهاز التنفسي، مما يؤدي إلى ارتفاع معدل ضربات القلب، وعدم انتظام ضربات القلب اللاحقة، والسكتة القلبية في نهاية المطاف. يتأثر الجهاز العصبي المركزي أيضًا بشدة بارتفاع الحرارة، والذي يظهر على شكل هذيان وتشنجات محتملة. من الممكن أن يحدث فقدان للوعي، مما يؤدي إلى حالة غيبوبة. يتم ملاحظة هذه التغيرات الفسيولوجية أحيانًا لدى الأفراد الذين يعانون من الحمى الحادة. تتعرض عضلات الثدييات لشدة الحرارة عند حوالي 50 درجة مئوية، وهي تصلب جسدي مفاجئ وكامل لا يتوافق مع الحياة.
H.M. قام فيرنون بالتحقيق في درجة الحرارة المميتة ودرجة حرارة الشلل (التي تُعرف بأنها درجة الحرارة القاسية) عبر أنواع حيوانية متنوعة. أشارت النتائج التي توصل إليها إلى أن الأنواع الموجودة ضمن نفس الفئة التصنيفية أظهرت عتبات درجات حرارة قابلة للمقارنة بدرجة كبيرة؛ على سبيل المثال، سجلت البرمائيات التي تم اختبارها 38.5 درجة مئوية، والأسماك 39 درجة مئوية، والزواحف 45 درجة مئوية، والرخويات المختلفة 46 درجة مئوية. علاوة على ذلك، بالنسبة للكائنات البحرية، أثبت فيرنون وجود علاقة بين درجة الحرارة المميتة ونسبة المكونات الصلبة داخل الجسم. على العكس من ذلك، أشارت تجاربه على الحيوانات العليا إلى تباين أوسع في كل من الخواص الكيميائية والفيزيائية للبروتوبلازم، مما يؤدي بالتالي إلى نطاق أوسع من درجات الحرارة القصوى المتوافقة مع بقائها على قيد الحياة.
كشف بحث أجري عام 2022 في التأثير الفسيولوجي للحرارة على الأفراد الشباب أن درجة حرارة البصيلة الرطبة الحرجة (Twb,crit)، والتي بعدها يصبح تعويض الإجهاد الحراري مستحيلًا بالنسبة للشباب الأصحاء المنخرطين في أنشطة تتطلب معدلات استقلاب متواضعة (شبيهة بمهام الحياة اليومية)، كانت أقل بكثير من 35 درجة مئوية المقبولة عمومًا. على وجه التحديد، كانت هذه العتبة حوالي 30.55 درجة مئوية في البيئات الرطبة التي تتراوح بين 36-40 درجة مئوية، وانخفضت أكثر في الظروف المحيطة الأكثر حرارة وجفافًا.
مفصليات الأرجل
تظهر بعض أنواع المفصليات المحبة للحرارة قدرة على تحمل درجات الحرارة القصوى التي تتجاوز العتبات المميتة لغالبية الفقاريات.
تمثل ثلاثة أجناس مختلفة من النمل الصحراوي، الموثقة في ثلاث مناطق عالمية، بعضًا من أكثر أنواع الحشرات تحملاً للحرارة. لقد طور هذا النمل استراتيجية بحث متخصصة عن الطعام، تتضمن رحلات قصيرة للبحث عن الطعام خلال ذروة حرارة اليوم، والتي غالبًا ما تتجاوز 50 درجة مئوية (122 درجة فهرنهايت)، لجمع بقايا الحشرات والكائنات الحية الأخرى التي استسلمت للإجهاد الحراري.
في أبريل 2014، تم توثيق سوس جنوب كاليفورنيا Paratarsotomus macropalpis باعتباره أسرع حيوان بري بالنسبة لطول جسمه. تحقيق سرعات تصل إلى 322 طول جسم في الثانية. وبعيدًا عن سرعتها الاستثنائية، لاحظ الباحثون بدهشة أن هذه العث يمكنها الحفاظ على هذه السرعات على الأسطح الخرسانية عند درجات حرارة تصل إلى 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت). هذه الملاحظة جديرة بالملاحظة بشكل خاص، حيث أن درجة الحرارة هذه تتجاوز بشكل كبير العتبة المميتة لمعظم الأنواع الحيوانية. علاوة على ذلك، يُظهر هذا العث رشاقة ملحوظة، وقادرة على التباطؤ السريع وتغيير الاتجاه.
تظهر العناكب، مثل Nephila pilipes، تنظيمًا حراريًا نشطًا. في الأيام الحارة والمشمسة، يقوم هذا النوع بتوجيه جسمه ليتوافق مع اتجاه الشمس، وبالتالي تقليل مساحة السطح المعرضة لأشعة الشمس المباشرة.
- درجة حرارة جسم الإنسان
- التنظيم الحراري للحشرات
- المراجع
المراجع
- مكتب الحكومة الأسترالية للأرصاد الجوية. ملاحظات الراحة الحرارية. تم الاسترجاع 28 يناير 2013.وونج, لينا (1997). "درجة حرارة الإنسان السليم (درجة حرارة الجسم)." في كتاب حقائق الفيزياء. مؤرشفة من الأصلي في 26 سبتمبر 2010. تم الاسترجاع 24 أكتوبر 2013.