endotermia -Endotherm
| Termorregulación en animales |
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Un endotermo (del griego ἔνδον endon "dentro" y θέρμη thermē "calor") es un organismo que mantiene su cuerpo a una temperatura metabólicamente favorable, en gran parte mediante el uso del calor liberado por sus funciones corporales internas en lugar de depender casi exclusivamente del calor ambiental. . Tal calor generado internamente es principalmente un producto incidental del metabolismo de rutina del animal , pero bajo condiciones de frío excesivo o baja actividad, una endotermia podría aplicar mecanismos especiales adaptados específicamente a la producción de calor. Los ejemplos incluyen esfuerzo muscular de función especial, como escalofríos , y metabolismo oxidativo desacoplado , como dentro del tejido adiposo marrón.. Solo las aves y los mamíferos son grupos de animales universalmente endotérmicos. Ciertos tegu argentinos negros y blancos , tiburones lamnidos, atunes y marlines también son endotérmicos.
En el lenguaje común, los endotermos se caracterizan como " de sangre caliente ". Lo opuesto a la endotermia es la ectotermia , aunque por lo general no existe una separación absoluta o clara entre la naturaleza de las endotermias y las ectotermias.
Origen
La endotermia se originó hacia el final del Período Pérmico , hace entre 252 y 259 millones de años.
Mecanismos
Generación y conservación de calor.
Muchos endotermos tienen una mayor cantidad de mitocondrias por célula que los ectotermos. Esto les permite generar calor aumentando la velocidad a la que metabolizan las grasas y los azúcares . En consecuencia, para mantener su metabolismo superior, los animales endotérmicos normalmente requieren varias veces más alimentos que los animales ectotérmicos y, por lo general, requieren un suministro más sostenido de combustible metabólico.
En muchos animales endotérmicos, un estado temporal controlado de hipotermia conserva la energía al permitir que la temperatura corporal descienda casi a los niveles ambientales. Dichos estados pueden ser breves ciclos circadianos regulares llamados letargo , o pueden ocurrir en ciclos mucho más largos, incluso estacionales, llamados hibernación . La temperatura corporal de muchas aves pequeñas (p. ej ., colibríes ) y pequeños mamíferos (p. ej ., tenrecs ) cae drásticamente durante la inactividad diaria, como por ejemplo durante la noche en animales diurnos o durante el día en animales nocturnos , lo que reduce el costo de energía para mantener la temperatura corporal. La reducción intermitente menos drástica de la temperatura corporal también ocurre en otros endotermos más grandes; por ejemplo, el metabolismo humano también se ralentiza durante el sueño, provocando un descenso de la temperatura central, normalmente del orden de 1 grado Celsius. Puede haber otras variaciones de temperatura, generalmente menores, ya sea endógenas o en respuesta a circunstancias externas o esfuerzo vigoroso, ya sea un aumento o una disminución.
El cuerpo humano en reposo genera alrededor de dos tercios de su calor a través del metabolismo en los órganos internos del tórax y el abdomen, así como en el cerebro. El cerebro genera alrededor del 16% del calor total producido por el cuerpo.
La pérdida de calor es una gran amenaza para las criaturas más pequeñas, ya que tienen una mayor proporción de área de superficie a volumen . Los pequeños animales de sangre caliente tienen aislamiento en forma de pieles o plumas . Los animales acuáticos de sangre caliente, como las focas , generalmente tienen capas profundas de grasa debajo de la piel y cualquier pelaje que puedan tener; ambos contribuyen a su aislamiento. Los pingüinos tienen tanto plumas como grasa. Las plumas de pingüino tienen forma de escamas y sirven tanto para el aislamiento como para la aerodinámica. Los endotermos que viven en circunstancias muy frías o en condiciones que predisponen a la pérdida de calor, como las aguas polares, tienden a tener estructuras especializadas de vasos sanguíneos en sus extremidades que actúan como intercambiadores de calor . Las venas están adyacentes a las arterias llenas de sangre caliente. Parte del calor arterial se conduce a la sangre fría y se recicla de vuelta al tronco. Las aves, especialmente las aves zancudas , a menudo tienen mecanismos de intercambio de calor muy bien desarrollados en sus patas; los de las patas de los pingüinos emperador son parte de las adaptaciones que les permiten pasar meses en el hielo del invierno antártico. En respuesta al frío, muchos animales de sangre caliente también reducen el flujo sanguíneo a la piel por vasoconstricción para reducir la pérdida de calor. Como resultado, se blanquean (se vuelven más pálidos).
Evitar el sobrecalentamiento
En climas ecuatoriales y durante veranos templados , el sobrecalentamiento ( hipertermia ) es una amenaza tan grande como el frío. En condiciones de calor, muchos animales de sangre caliente aumentan la pérdida de calor jadeando, lo que enfría al animal al aumentar la evaporación de agua en la respiración y/o enrojecerse, lo que aumenta el flujo de sangre a la piel para que el calor se irradie al ambiente. Los mamíferos sin pelo y de pelo corto, incluidos los humanos y los caballos, también sudan , ya que la evaporación del agua en el sudor elimina el calor. Los elefantes se mantienen frescos usando sus enormes orejas como los radiadores de los automóviles. Sus orejas son delgadas y los vasos sanguíneos están cerca de la piel, y mover las orejas para aumentar el flujo de aire sobre ellas hace que la sangre se enfríe, lo que reduce la temperatura corporal central cuando la sangre se mueve por el resto del sistema circulatorio.
Pros y contras de un metabolismo endotérmico
La principal ventaja de la endotermia sobre la ectotermia es la disminución de la vulnerabilidad a las fluctuaciones de la temperatura externa. Independientemente de la ubicación (y, por lo tanto, de la temperatura externa), la endotermia mantiene una temperatura central constante para una actividad enzimática óptima.
Los endotermos controlan la temperatura corporal mediante mecanismos homeostáticos internos. En los mamíferos, dos mecanismos homeostáticos separados están involucrados en la termorregulación: un mecanismo aumenta la temperatura corporal, mientras que el otro la disminuye. La presencia de dos mecanismos separados proporciona un grado muy alto de control. Esto es importante porque la temperatura central de los mamíferos se puede controlar para que esté lo más cerca posible de la temperatura óptima para la actividad enzimática.
La tasa general del metabolismo de un animal aumenta en un factor de aproximadamente dos por cada aumento de temperatura de 10 °C (18 °F) , limitado por la necesidad de evitar la hipertermia . La endotermia no proporciona mayor velocidad de movimiento que la ectotermia (sangre fría): los animales ectotérmicos pueden moverse tan rápido como los animales de sangre caliente del mismo tamaño y estructura cuando el ectotermo está cerca o en su temperatura óptima, pero a menudo no pueden mantener niveles metabólicos altos. actividad durante tanto tiempo como endotermos. Los animales endotérmicos/homeotérmicos pueden estar óptimamente activos en más momentos durante el ciclo diurno en lugares con fuertes variaciones de temperatura entre el día y la noche y durante la mayor parte del año en lugares con grandes diferencias estacionales de temperatura. Esto va acompañado de la necesidad de gastar más energía para mantener la temperatura interna constante y un mayor requerimiento de alimentos. La endotermia puede ser importante durante la reproducción, por ejemplo, para expandir el rango térmico en el que una especie puede reproducirse, ya que los embriones generalmente no toleran las fluctuaciones térmicas que los adultos toleran fácilmente. La endotermia también puede proporcionar una protección contra la infección por hongos . Si bien decenas de miles de especies de hongos infectan a los insectos, solo unos pocos cientos se dirigen a los mamíferos y, a menudo, solo a aquellos con un sistema inmunológico comprometido . Un estudio reciente sugiere que los hongos están fundamentalmente mal equipados para prosperar a las temperaturas de los mamíferos. Las altas temperaturas que ofrece la endotermia podrían haber proporcionado una ventaja evolutiva.
Los ectotermos aumentan la temperatura de su cuerpo principalmente a través de fuentes de calor externas, como la energía solar ; por lo tanto, dependen de las condiciones ambientales para alcanzar la temperatura corporal operativa. Los animales endotérmicos utilizan principalmente la producción interna de calor a través de órganos y tejidos metabólicamente activos (hígado, riñón, corazón, cerebro, músculo) o tejidos especializados que producen calor como el tejido adiposo marrón (BAT). En general, los endotermos tienen tasas metabólicas más altas que los ectotermos en una masa corporal dada. Como consecuencia, también necesitan tasas más altas de ingesta de alimentos, lo que puede limitar la abundancia de endotermos más que de ectotermos.
Debido a que los ectotermos dependen de las condiciones ambientales para la regulación de la temperatura corporal, por lo general son más lentos por la noche y por la mañana cuando salen de sus refugios para calentarse con la primera luz del sol. Por lo tanto, la actividad de búsqueda de alimento está restringida al día (patrones de actividad diurna) en la mayoría de los ectotermos vertebrados. En los lagartos, por ejemplo, solo se sabe que unas pocas especies son nocturnas (p. ej., muchos geckos) y en su mayoría utilizan estrategias de alimentación de "sentarse y esperar" que pueden no requerir temperaturas corporales tan altas como las necesarias para la alimentación activa. Por lo tanto, las especies de vertebrados endotérmicos dependen menos de las condiciones ambientales y han desarrollado una alta variabilidad (tanto dentro como entre especies) en sus patrones de actividad diurna.
Se cree que la evolución de la endotermia fue crucial en el desarrollo de la diversidad de especies de mamíferos euterios en el período Mesozoico. La endotermia les dio a los primeros mamíferos la capacidad de estar activos durante la noche mientras mantenían cuerpos pequeños. Las adaptaciones en la fotorrecepción y la pérdida de protección UV que caracterizan a los mamíferos euterios modernos se entienden como adaptaciones para un estilo de vida originalmente nocturno, lo que sugiere que el grupo pasó por un cuello de botella evolutivo (la hipótesis del cuello de botella nocturno ). Esto podría haber evitado la presión de los depredadores de los reptiles y dinosaurios diurnos, aunque algunos dinosaurios depredadores, siendo igualmente endotérmicos, podrían haber adaptado un estilo de vida nocturno para depredar a esos mamíferos.
endotermia facultativa
Muchas especies de insectos pueden mantener una temperatura torácica por encima de la temperatura ambiente mediante el ejercicio. Estos se conocen como endotermos facultativos o de ejercicio. La abeja melífera , por ejemplo, lo hace contrayendo músculos de vuelo antagónicos sin mover sus alas (ver termorregulación de insectos ). Sin embargo, esta forma de termogénesis solo es eficiente por encima de un cierto umbral de temperatura, y por debajo de aproximadamente 9 a 14 ° C (48 a 57 ° F), la abeja melífera vuelve a la ectotermia.
La endotermia facultativa también se puede ver en múltiples especies de serpientes que usan su calor metabólico para calentar sus huevos. Python molurus y Morelia spilota son dos especies de pitones donde las hembras rodean sus huevos y tiemblan para incubarlos.
endotermia regional
Se ha demostrado que algunos ectotermos , incluidas varias especies de peces y reptiles , hacen uso de la endotermia regional, donde la actividad muscular hace que ciertas partes del cuerpo permanezcan a temperaturas más altas que el resto del cuerpo. Esto permite una mejor locomoción y uso de los sentidos en ambientes fríos.
Contraste entre terminología termodinámica y biológica
Debido a un accidente histórico, los estudiantes encuentran una fuente de posible confusión entre la terminología de la física y la biología. Mientras que los términos termodinámicos " exotérmico " y " endotérmico " se refieren respectivamente a procesos que emiten energía térmica y procesos que absorben energía térmica, en biología el sentido se invierte efectivamente. Los términos metabólicos "ectotermo" y "endotermo" se refieren respectivamente a organismos que dependen en gran medida del calor externo para alcanzar una temperatura de trabajo completa, y a organismos que producen calor desde adentro como un factor importante para controlar la temperatura de su cuerpo.