Регуляция температуры тела и дыхания - ОРГАНИЗМЕННЫЕ РЕГУЛЯЦИИ

Постановка проблемы урока

1. Тепло образуется в организме при распаде органических веществ и непрерывно уходит во внешнюю среду.

2. Все химические реакции идут наиболее эффективно лишь в узком диапазоне температур.

• В чём состоит проблема? Сформулируйте главный вопрос урока. (См. авторский вариант на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• Назовите холоднокровных и теплокровных животных. (7 класс)

• Какова роль кровеносной системы в дыхании? (8 класс)

• Что такое энергетический обмен и каково его значение в жизни организма? (§ 8)

Решение проблемы

Тепло как побочный продукт

Человек придумал электрическую лампочку для освещения своего жилища. Но львиная доля энергии, подведённой к лампочке, рассеивается не в виде света, а в виде тепла. Для проверки достаточно поднести руку к горящей лампочке. То же самое происходит с энергией, извлекаемой живыми организмами в процессе энергетического обмена. В каждой реакции выделяется изрядное количество энергии в виде тепла. Польза от получаемого тепла состоит в ускорении собственных реакций обмена веществ. Интенсивность обмена веществ холоднокровных животных достаточно низкая, у них нет эффективных механизмов

терморегуляции, поэтому они значительно больше, чем теплокровные, зависят от внешних источников тепла (рис. 13.1). Теплокровные животные вынуждены всё время пополнять свой энергетический запас, добывать пищу, в то время как холоднокровным такое количество пищи не нужно. Змеи и ящерицы могут есть гораздо реже, чем теплокровные животные такого же размера, но в отличие от них при низких температурах становятся вялыми, тогда как теплокровные остаются такими же активными.

13.1. Ящерица греется на солнце.

Животные, зависимые от внешних источников тепла

Единственный механизм терморегуляции, доступный большинству холоднокровных животных, — поведенческие реакции: поиск более тёплых или прохладных мест, ориентация по отношению к солнцу таким образом, чтобы оно нагревало большую или меньшую площадь поверхности тела (рис. 13.2). И только некоторые виды обладают физиологическими механизмами регуляции температуры тела. Они способны менять объём тока крови через кожу.

13.2. Морские игуаны, греясь на камнях, поддерживают температуру тела около 37 °С, но в поисках пищи долгое время проводят в воде при температуре около 25 °С. Замедлить охлаждение им позволяет снижение частоты сердцебиений и уменьшение кровотока между поверхностными и глубокими слоями тела.

Как сохранить тепло?

Высокая интенсивность обмена веществ у теплокровных животных обеспечивает выработку большого количества тепла. Но для того, чтобы сохранить температуру тела постоянной, необходимо иметь совершенные механизмы терморегуляции. Тепло нужно сберегать, когда температура окружающей среды ниже температуры тела, и не допускать перегрева в жару.

Для сохранения тепла служат теплоизолирующие прослойки на поверхности тела — пушистый мех, перьевой покров, подкожная жировая ткань. У животных в холодное время года снижается ток крови на поверхности тела (рис. 13.3).

13.3. Механизмы регуляции теплоотдачи.

• Сравните теплоизолирующие свойства меха и подкожной жировой подушки. Каковы механизмы регуляции теплоотдачи в том и другом случае?

Специальные механизмы терморегуляции

Существуют и другие замечательные регуляторные приспособления. Северные животные защищены от холода особенно густой шерстью и толстой жировой подушкой, но ноги сухопутных северных животных - волков, оленей, а также ласты и плавники морских обитателей Севера лишены этой защиты, так как она помешала бы животным быстро двигаться. Тканям конечностей необходимы питательные вещества и кислород, которые доставляет к ним тёплая кровь. Поверхность конечностей велика, и в отсутствие теплоизоляторов тепло, доставленное кровью, было бы безвозвратно потрачено на обогрев окружающего воздуха. Однако этого не происходит. Потерь тепла практически не допускает система противоточного обмена. Артерия, доставляя тёплую кровь в конечность, окружается множеством мелких венозных сосудов. Образуется большая обменная поверхность между притекающей _и оттекающей кровью (рис. 13.4).

13.4. Артерия, входящая в ласт, плотно окружена мелкими венами.

Венозная кровь попадает в тело нагретой, а артериальная в конечность - холодной, что снижает потери тепла.

Из-за низкой температуры и наличия противоточного механизма температура конечности очень невысока. Это создаёт другие проблемы. Как все животные жиры, липиды при низкой температуре становятся очень вязкими, а это может привести к изменению свойств клеточных мембран, что очень опасно. Каким образом можно изменить вязкость жиров? Возьмём для примера сало - животный жир - и подсолнечное масло - растительный жир. Подсолнечное масло становится вязким при значительно более низкой температуре, чем сало. А отличаются животные и растительные жиры строением молекул жирных кислот, входящих в их состав. В углеродном скелете молекул жирных кислот, содержащихся в сале, гораздо меньше двойных связей. Если заменить их на жирные кислоты, содержащие двойные связи, температура их плавления понизится, они станут менее вязкими на холоде. Таким образом, строение липидов в конечностях животного отличается от строения липидов в его теле.

До определённого предела изменений температуры окружающей среды животные могут регулировать собственную температуру изменением теплоизолирующих свойств покровов (распушение шёрстного и перьевого покрова) и кровотока на поверхности тела. Но если температура очень низка, запускаются другие механизмы. Дрожь даёт дополнительное тепло организму за счёт несинхронизированных сокращений мышц. Ещё один резервный механизм обогрева - активация обмена жиров по всему организму. При расщеплении молекул жиров выделяется очень много тепла.

Как избавиться от тепла?

Вода, испаряясь, уносит очень много тепла, поэтому после купания нам становится прохладно даже в жару. Животные используют это свойство воды для охлаждения своего организма. Теплокровные снижают температуру тела с помощью потоотделения и тепловой одышки — дыхания с широко открытым ртом. В этом случае воздух выходит из лёгких, не успевая остыть, и уносит избыточное тепло.

Механизмы терморегуляции

13.5. Схема терморегуляции.

• Где расположены рецепторы, регистрирующие температуру организма?

• Какие нервные центры отвечают за процесс терморегуляции?

• Каким образом снижается температура крови? Какова роль в её снижении нервной и гормональной систем?

• Какими, положительными или отрицательными, должны быть обратные связи при восстановлении нормальной температуры тела?

Механизмы регуляции дыхания

В реакциях клеточного дыхания глюкоза окисляется кислородом до углекислого газа и воды. Энергия, получаемая клеткой в этих реакциях, должна поступать бесперебойно, поэтому необходимы надёжная доставка кислорода в клетку и удаление из неё углекислого газа. У одноклеточных и мелких многоклеточных животных доставка кислорода и удаление углекислого газа происходят с помощью диффузии. Для более крупных животных диффузии недостаточно, у них появляется транспортная - кровеносная система.

У большинства животных кислород и углекислый газ доставляются движением воды (в жабрах) или воздуха (в лёгких) в процессе дыхания. Эффективность переноса газов кровью увеличивается благодаря дыхательным пигментам.

У большинства животных дыхание объединяет несколько процессов:

1. Внешнее дыхание — дыхательные движения, с помощью которых насыщенные кислородом воздух или вода поступают в лёгкие или к жабрам.

2. Лёгочное (жаберное) дыхание — газообмен в лёгких или жабрах.

3. Перенос газов кровью.

4. Тканевое дыхание — газообмен в тканях.

5. Клеточное дыхание — окисление глюкозы в клетках.

Рассмотрим механизмы регуляции доставки кислорода при изменении окружающих условий. Если вы бывали в горах, то знаете, что уже на высоте около 2500 м у многих людей возникают головокружения, одышка (даже при небольших физических нагрузках) и другие симптомы нехватки кислорода. Тогда организм начинает бороться с его недостатком.

Снижение содержания кислорода в крови приводит к возбуждению рецепторов сонных артерий и дуги аорты, расширению сосудов и увеличению выброса крови из сердца. Но эти изменения в работе сердца сохраняются ненадолго. Если человек не покидает высокогорья, у него увеличивается количество эритроцитов в крови и содержание гемоглобина. Эффективность переноса кровью кислорода значительно возрастает. Увеличивается и объём вентиляции лёгких, а со временем капиллярная сеть в тканях становится плотнее, и снабжение тканей кислородом нормализуется.

13.6. Регуляция дыхания.

• Как достигается правильное чередование актов вдоха и выдоха? Какой отдел мозга в этом участвует?

• Когда большие полушария мозга вмешиваются в регуляцию дыхания?

Какова роль рецепторов углекислого газа в регуляции глубины вдохов и выдохов?

Многие животные сталкиваются с проблемами потруднее. Например, ныряющие птицы и звери во время охоты под водой длительное время испытывают недостаток кислорода. Центральная нервная система не переносит кислородного голодания. Как обеспечить ей условия для работы? Оказывается, можно расходовать запасы кислорода очень экономно. Во время пребывания под водой кислород используется только головным мозгом и сердцем, а кровоснабжение других органов снижается, и они переходят на анаэробные пути метаболизма, как это происходит с активно работающей мышцей (рис. 13.7). Частота сердечных сокращений и сердечный выброс значительно уменьшаются. Кровообращение меняется таким образом, чтобы ограниченные запасы кислорода доставались, главным образом, органам, наиболее страдающим от его недостатка, - мозгу, сердцу и некоторым эндокринным образованиям.

13.7. При недостатке кислорода большое количество энергии расщепляются не полностью, выделяя не большое количество энергии.

• При каких условиях происходит переход к анаэробному обмену?

Обобщение новых знаний

Высокий уровень обмена веществ у теплокровных животных позволяет им поддерживать высокую температуру тела. Для того чтобы она оставалась постоянной и при низкой, и при высокой температуре внешней среды, существуют специальные механизмы терморегуляции. Регуляция дыхания происходит на уровне дыхательных движений, а в особых случаях - на уровне переноса и использования кислорода.

Применение знаний

1. Почему теплокровным животным необходимо больше пищи, чем холоднокровным?

2. Какие энергосберегающие механизмы существуют у теплокровных животных?

3. Каким образом терморегуляция связана с работой кровеносной системы?

4. Как регулируется дыхание?

5. Как защищаются от холода полярные морские млекопитающие, не имеющие шёрстного покрова?

6. Каким образом в организме уменьшается приток крови к одним органам и увеличивается к другим?

7. Рассмотрите вдвоём приведённый график. Каких животных можно отнести к теплокровным, а каких - к холоднокровным?