15.3G: Транспорт тепла

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5409

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Крім своєї ролі в транспортуванні матеріалів, кровоносна система відповідає за розподіл тепла по всьому тілу. Це вірно обох

ендотерми, тварини - птахи та ссавці - які виробляють внутрішньо тепло, необхідне для підтримки температури тіла. Птахи і ссавці «теплокровні» або гомеотермічні, підтримуючи температуру свого тіла у вузьких межах, незалежно від температури навколишнього середовища.
мезотерми, тварини, які виробляють тепло всередині, але не підтримують фіксовану температуру тіла. Тунець, деякі акули та єхидна - мезотерми.
ектотерми, тварини — інші хребетні та безхребетні — які захищають своє тепло від оточення (наприклад, гріючись на сонці). Ектотерми бувають «холоднокровними» або пойкилотерміческімі.

Основним джерелом тепла для ендотермів є обмін речовин їх внутрішніх органів. Понад дві третини тепла, що утворюється у людини, що відпочиває, створюється органами грудної та черевної порожнин і мозку (що становить 16% від загальної кількості - приблизно так само, як і всі наші скелетні м'язи, коли вони знаходяться в стані спокою). Є кілька заходів, які може вжити ендотермічна тварина, якщо вона починає втрачати тепло в навколишнє середовище швидше, ніж може генерувати тепло (тобто починає холодати). Він може збільшити швидкість метаболізму його тканин. Багато дрібних ссавців та немовлят людини роблять це, оскільки їхнє оточення стає холоднішим, але все ще невідомо, чи можуть дорослі люди. Збільшення обміну речовин, з супутнім виділенням тепла, відбувається в коричневій жировій тканині. Це також може збільшити його фізичну активність. У стані спокою м'язи вносять лише невеликий внесок (близько 16%) в тепло тіла. Під час енергійних вправ це може значно збільшитися. При відсутності довільного дії м'язів такий же ефект досягається тремтінням. Чим більше співвідношення поверхні до обсягу частини тіла, тим швидше він може передавати тепло навколишньому середовищу. Ось чому ви вперше помічаєте холод в руках і ногах. Втрату тепла від кінцівок можна різко зменшити, зменшивши їх кровопостачання. У сильний холод, наприклад, кровопостачання пальців може знизитися до 1% або близько того від його нормального значення.

Протитечічний теплообмінник

Багато тварин (включаючи людей) мають інший спосіб збереження тепла. Артерії наших рук і ніг проходять паралельно набору глибоких вен. Оскільки тепла кров проходить по артеріях, кров віддає частину свого тепла холодній крові, що повертається з кінцівок в цих венах. Такий механізм називається протитечівним теплообмінником. Коли втрата тепла не проблема, велика частина венозної крові з кінцівок повертається через вени, розташовані біля поверхні.

альт — Малюнок 15.3.7.1 Противоточний теплообмінник

Протиточні теплообмінники можуть працювати з чудовою ефективністю. Морська чайка може підтримувати нормальну температуру в тулубі, стоячи незахищеними ногами в замерзаючій воді. Якщо врахувати, що кров риб проходить над зябрами, які купаються в навколишній воді, легко зрозуміти, чому риби «холоднокровні». Тим не менш, деякі морські риби (наприклад, тунець) є мезотермами - здатні тримати свої найактивніші плавальні м'язи тепліше, ніж море, використовуючи протиточний теплообмінник.

На наведеному вище фотографії праворуч показано поперечний переріз тунця через скипджек. Темна м'яз по обидва боки хребетного стовпа підтримується при більш високій температурі, ніж решта риби завдяки своєму протитечічному теплообміннику. Холодна, багата киснем артеріальна кров переходить в ряд дрібних артерій, які беруть кров в активні м'язи. Ці дрібні артерії лежать пліч-о-пліч з венами, що виснажують ці м'язи. Таким чином, коли холодна кров переходить у м'язи, вона підхоплює тепло, яке було вироблено цими м'язами, і утримує його від втрати в навколишнє середовище. Завдяки цьому протитечічному теплообміннику тунець, який плаває взимку, може підтримувати свої активні плавальні м'язи на 14° C тепліше, ніж навколишня вода. Мікрофотографія зліва має поперечний переріз через теплообмінник. Зверніть увагу на тісне паралельне ущільнення артерій (товсті стінки) і вен (тонкі стінки).

Противоточні обмінники також працюють в нирці і вбудовуються в конструкцію штучних нирок.

Кровоносна система також відповідає за охолодження тварини. Якщо «основна» температура тіла тварини стає занадто високою, кровопостачання поверхні та кінцівок збільшується, що дозволяє виділяти тепло в навколишнє середовище. Якщо цього недостатньо, тварина може випаровувати воду з крові — у вигляді поту для тих тварин, які мають потові залози. Випаровування 1 грама води поглинає близько 540 калорій тепла.

Більшість ендотермів не переносять підвищення температури тіла понад 5° C або близько того. Мозок - орган, найбільш схильний до пошкодження високою температурою. Деякі ссавці, наприклад, собаки мають протиточний теплообмінник, розташований між сонними артеріями та судинами, які розподіляють кров до мозку. Цей теплообмінник передає частину тепла артеріальної крові відносно прохолодної венозної крові, що повертається з носа і рота. Це охолоджує їх артеріальну кров до того, як вона досягне мозку.

Зсув кровотоку в міру необхідності для підтримки гомеотермії контролюється температурними рецепторами в гіпоталамусі мозку. Один набір рецепторів тут реагує на невеликі (0,01° C) підвищення температури крові. При спрацьовуванні всі заходи, такі як шунтування кровоносних судин до шкіри та кінцівок та пітливість, за допомогою якої тіло охолоджується, вступають у гру. Саме цей центр дозволяє нам підтримувати постійну температуру тіла (гомеотермію) в періоди екстремальних навантажень або в жаркому оточенні.

Друга область гіпоталамуса викликає зігріваючі реакції, такі як шунтування крові від шкіри та кінцівок і тремтіння, коли тіло стає охолодженим. Саме гіпоталамус виконує реакцію лихоманки. По суті, гіпоталамус є термостатом організму. Виділення простагландинів при запаленні збільшує схоплювання; тобто повертає термостат «вгору». Якщо температури тіла ще немає, тіло починає сильно тремтіти - викликаючи «озноб» - виробляти необхідне тепло. Результатом є лихоманка при досягненні нової заданої точки.