내온성

Endotherm
이 기사는 생물학적 체온 조절에 관한 것이다.화학 반응은 흡열제를 참조하십시오.
내배엽과 혼동하지 마세요.
동물의 체온 조절
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An endotherm (from Greek ἔνδον endon "within" and θέρμη thermē "heat") is an organism that maintains its body at a metabolically favorable temperature, largely by the use of heat released by its internal bodily functions instead of relying almost purely on ambient heat.이러한 내부에서 발생하는 열은 주로 동물의 일상적인 신진대사의 부수적인 산물이지만, 과도한 추위나 낮은 활동 조건에서는 내온류가 열 생성에 특화된 특수 메커니즘을 적용할 수 있다.예를 들어 떨림과 같은 특수 기능 근육 운동과 갈색 지방 조직 내와 같은 분리되지 않은 산화 대사를 포함한다.오직 조류와 포유류만이 현존하는 보편적인 흡열성 동물군이다.아르헨티나산 흑백 테구, 흑상어, 참치, 부리새류, 매미, 겨울나방 등도 흡열성 동물이다.

일반적으로, 내열은 "온혈"로 특징지어진다.내온증의 반대는 외온증이지만 일반적으로 내온증과 외온증 사이에는 절대적이거나 명확한 구분이 없다.

기원.

내열은 페름기[1] 말기에 유래한 것으로 생각되었다.하지만, 최근의 연구는 시냅시다 내의 내열성의 기원이 약 2억 3천 3백만 년 전 후기 트라이아스기에 보정된 절인 맘말리아모르파 사이라는 것을 밝혀냈습니다.

메커니즘

발열 및 열 절약

코어 온도의 함수로서 흡열동물(유모)과 외열동물(유모)의 지속 에너지 출력
이 이미지는 내온과 외온의 차이를 보여줍니다.쥐는 흡열성이며 항상성을 통해 체온을 조절합니다.도마뱀은 체온이 외부 온도에 영향을 미친다.

많은 내온세포는 외온세포보다 세포당 미토콘드리아 양이 더 많다.이것은 그들이 지방과 당을 대사하는 속도를 증가시킴으로써 열을 발생시킬 수 있게 해준다.따라서, 그들의 높은 신진대사를 유지하기 위해, 흡열동물들은 일반적으로 외열동물보다 몇 배의 음식을 필요로 하고, 보통 더 지속적인 대사연료의 공급을 필요로 한다.

많은 흡열 동물에서, 저체온증의 조절된 일시적인 상태는 체온이 주변 수준으로 거의 떨어지도록 함으로써 에너지를 절약합니다.이러한 상태는 동면이라 불리는 짧은 주기일 수도 있고 심지어 동면이라 불리는 훨씬 더 길고 계절적인 주기일 수도 있습니다.많은 작은 새(예: 벌새)와 작은 포유동물(예: 텐렉)의 체온은 주행성 동물에서 밤 또는 야행성 동물에서 낮과 같이 매일 활동이 없는 동안 급격히 떨어져 체온을 유지하는 에너지 비용을 낮춘다.체온의 덜 급격한 간헐적인 감소는 또한 다른 큰 내열에서도 일어납니다; 예를 들어, 인간의 신진대사 또한 수면 중에 느려져, 보통 섭씨 1도 정도의 핵심 온도 감소를 야기합니다.일반적으로 더 작은 온도, 내인성 또는 외부 환경 또는 격렬한 노력에 대한 반응, 그리고 상승 또는 [3]하강 중 하나의 온도 변화가 있을 수 있습니다.

휴식 중인 인체는 뇌뿐만 아니라 흉부와 복부의 내부 장기에서 신진대사를 통해 열의 약 3분의 2를 발생시킨다.뇌는 [4]신체에 의해 생성된 총 열의 약 16%를 발생시킨다.

열 손실은 작은 생물들에게 큰 위협이 된다. 왜냐하면 그들은 부피 대비 표면적의 비율이 크기 때문이다.온혈동물들은 털이나 깃털의 형태로 단열재를 가지고 있다.바다표범과 같은 수생 온혈 동물들은 일반적으로 피부 밑에 깊은 층의 물집과 그들이 가지고 있을 수 있는 모든 털을 가지고 있다; 둘 다 단열에 기여한다.펭귄은 깃털과 물방울을 모두 가지고 있다.펭귄의 깃털은 비늘처럼 생겼고 단열과 능률적인 역할을 합니다.극지방의 물과 같이 매우 추운 환경이나 열 손실을 일으키기 쉬운 조건에 사는 내열은 열 교환기 역할을 하는 사지의 혈관의 특수 구조를 갖는 경향이 있다.정맥은 따뜻한 피로 가득한 동맥과 인접해 있다.동맥열 중 일부는 차가운 혈액으로 전달되고 다시 몸통으로 순환됩니다.새들, 특히 물떼새들은 종종 다리에 매우 잘 발달된 열 교환 메커니즘을 가지고 있다. 황제 펭귄의 다리에 있는 새들은 남극의 겨울 [5][6]얼음 위에서 몇 달을 보낼 수 있게 해주는 적응의 일부이다.추위에 대한 반응으로, 많은 온혈동물들은 열 손실을 줄이기 위해 혈관 수축에 의해 피부로의 혈류를 감소시킨다.그 결과, 색이 바래진다(더 창백해집니다.

과열 방지

적도 기후와 온화한 여름 동안 과열(저온증)은 추위만큼이나 큰 위협입니다.뜨거운 조건에서 많은 온혈동물들은 숨을 헐떡이며 열 손실을 증가시킨다. 이는 호흡 중의 수분 증발을 증가시켜 동물을 냉각시키고/또는 홍조를 일으켜 피부로 가는 혈류를 증가시켜 열이 환경으로 방출되도록 한다.인간과 말을 포함한 털이 없고 털이 짧은 포유동물들도 땀을 흘린다. 땀 속의 물의 증발은 열을 제거하기 때문이다.코끼리는 자동차의 라디에이터처럼 그들의 큰 귀를 사용함으로써 시원함을 유지한다.그들의 귀는 얇고 혈관은 피부에 가깝고, 귀를 펄럭이며, 그들 위의 공기 흐름을 증가시키기 위해 귀를 흔드는 것은 혈액을 식게 하고, 이것은 혈액이 순환계의 나머지 부분을 통과할 때 그들의 핵심 체온을 낮춘다.

흡열대사의 장단점

외부온도에 비해 내온성의 주요 장점은 외부온도의 변동에 대한 취약성이 감소한다는 것이다.위치(따라서 외부 온도)에 관계없이, 내열은 최적의 효소 활성을 위해 일정한 코어 온도를 유지합니다.

내열은 내부 항상성 메커니즘에 의해 체온을 조절합니다.포유동물에서는 두 개의 독립된 항상성 메커니즘이 체온 조절에 관여합니다.한 메커니즘은 체온을 높이는 반면 다른 메커니즘은 체온을 낮춥니다.2개의 독립된 메커니즘이 존재하기 때문에 매우 고도의 제어가 가능합니다.이것은 포유류의 핵심 온도가 효소 활동을 위한 최적의 온도에 최대한 가깝게 조절될 수 있기 때문에 중요하다.

동물의 전반적인 대사 속도는 온도가 10°C(18°F) 상승할 때마다 약 2배 증가하며, 이는 온열증을 피할 필요성에 의해 제한된다.내온성은 외온성(냉혈성)보다 이동 속도가 빠르지 않다. 외온성 동물은 같은 크기의 온혈 동물만큼 빠르게 움직일 수 있고 외온이 최적의 온도에 가깝거나 최적의 온도에 있을 때 형성될 수 있다. 그러나 종종 내온성만큼 높은 대사 활동을 유지할 수 없다.흡열/동체온동물은 주간 주기 동안 낮과 밤 사이에 급격한 온도 변화가 있는 곳에서는 더 많은 시간, 계절적 온도 차이가 큰 곳에서는 더 많은 시간 동안 최적의 활동을 할 수 있다.이것은 일정한 내부 온도를 유지하기 위해 더 많은 에너지를 소비해야 하는 필요성과 더 많은 음식을 필요로 [7]한다.배아는 일반적으로 [8][9]성인에 의해 쉽게 용인되는 열변동을 견디지 못하기 때문에, 예를 들어, 종족이 번식할 수 있는 열범위를 넓히는 데 있어 내열성은 번식 중에 중요할 수 있습니다.내열은 또한 곰팡이 감염에 대한 보호를 제공할 수 있다.수만 종의 진균이 곤충을 감염시키는 반면, 수백 종의 포유류만이 대상이며, 종종 면역 체계가 손상된 포유류만을 대상으로 한다.최근의[10] 연구는 곰팡이가 포유류의 온도에서 번식하기에 근본적으로 준비가 되어 있지 않다는 것을 보여준다.내열로 인한 높은 온도는 진화상의 이점을 제공했을지도 모른다.

외열은 주로 태양 에너지와 같은 외부 열원을 통해 체온을 상승시킨다. 따라서, 그들은 작동 가능한 체온에 도달하기 위해 환경 조건에 의존한다.흡열 동물은 대부분 대사 활성 기관과 조직(간, 신장, 심장, 뇌, 근육)을 통해 내부 열을 생성하거나 갈색 지방 조직과 같은 특수 열을 생성하는 조직을 사용합니다.따라서 일반적으로 체질량에서 체외온도보다 내온도가 더 높다.결과적으로 그들은 또한 더 높은 음식 섭취율을 필요로 하는데, 이것은 외온보다 더 많은 내온의 풍부함을 제한할 수 있다.

외부온도는 체온 조절을 위한 환경 조건에 의존하기 때문에, 그들은 보통 첫 햇빛에 데우기 위해 대피소에서 나오는 밤과 아침에 더 느립니다.따라서 대부분의 척추동물 외온에서 먹이찾기 활동은 주간(일일 활동 패턴)으로 제한된다.예를 들어, 도마뱀의 경우, 몇몇 종만이 야행성인 것으로 알려져 있고, 그들은 대부분 활발한 먹이 찾기에 필요한 만큼 높은 체온을 필요로 하지 않을 수 있는 "앉아서 기다리는" 먹이찾기 전략을 사용합니다.따라서 흡열 척추동물은 환경조건에 덜 의존하며 주간 활동 [11]패턴에서 높은 변동성(종 내 및 종 간)을 가지고 있다.

중생대 에우테리아 포유류 종 다양성의 발달에 있어서 흡열증의 진화가 결정적이었던 것으로 생각된다.흡열증은 초기 포유동물들에게 작은 몸집을 유지하면서 밤에 활동할 수 있는 능력을 주었다.광수용 적응과 현대 고유 포유류의 특징인 자외선 차단 상실은 그룹이 진화적 병목 현상(야간 병목 가설)을 겪었음을 암시하는 원래 야간에 적응하는 것으로 이해된다.이것은 비록 일부 포식 공룡들이 똑같이 흡열성이기 때문에 이러한 포유류를 [11][12]먹이로 삼기 위해 야행성 생활방식을 적응시켰을지라도 주행성 파충류와 공룡으로부터의 포식자의 압력을 피할 수 있었을 것이다.

통성내온증

많은 곤충 종들은 운동을 통해 흉부 온도를 주위 온도 이상으로 유지할 수 있다.이것들은 조건성 또는 운동성 [13]내열로 알려져 있다.예를 들어 꿀벌은 날개를 움직이지 않고 반대편 비행 근육을 수축시킴으로써 그렇게 한다.[14][15][16]그러나 이러한 형태의 열생성은 특정 온도 임계값 이상에서만 효율적이며, 약 9–14 °C(48–57 °F) 이하에서는 꿀벌이 [15][16][17]외부온도로 되돌아갑니다.

통성내열은 또한 그들의 신진대사 열을 그들의 알을 따뜻하게 하기 위해 사용하는 여러 종류의 뱀에게서 볼 수 있다.Python molurus와 Morelia spilota는 암컷이 [18]알을 품기 위해 알을 둘러싸고 떨고 있는 두 종류의 비단뱀이다.

국소 내열

몇몇 종류의 물고기와 파충류를 포함한 일부 외온동물들은 근육 활동이 신체의 [19]다른 부분보다 더 높은 온도로 유지하도록 하는 국소적인 내온작용을 이용하는 것으로 나타났다.이것은 추운 환경에서 [19]더 나은 이동과 감각의 사용을 가능하게 한다.

열역학적 용어와 생물학적 용어의 대조

역사적 [citation needed]사고로 인해 학생들은 물리학과 생물학 용어 사이에 혼동을 일으킬 수 있는 원인을 마주하게 된다.열역학 용어인 "발열"과 "발열"은 각각 열에너지를 방출하는 과정과 열에너지를 흡수하는 과정을 의미하지만, 생물학에서는 그 의미가 효과적으로 반대됩니다.대사 용어 "엑터텀"과 "내온"은 각각 완전한 작업 온도를 달성하기 위해 주로 외부 열에 의존하는 유기체와 체온을 [20]조절하는 주요 요인으로 내부에서 열을 생성하는 유기체를 가리킨다.

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레퍼런스

  1. ^ Kévin Rey; et al. (Jul 2017). "Oxygen isotopes suggest elevated thermometabolism within multiple Permo-Triassic therapsid clades". eLife. 6. doi:10.7554/eLife.28589. PMC 5515572. PMID 28716184.
  2. ^ Araújo; et al. (28 Jul 2022). "Inner ear biomechanics reveals a Late Triassic origin for mammalian endothermy". Nature. 607. doi:10.1038/s41586-022-04963-z.
  3. ^ Refinetti, Roberto (2010). "The circadian rhythm of body temperature". Frontiers in Bioscience. 15 (2): 564–594. doi:10.2741/3634. PMID 20036834.
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  19. ^ a b Willmer, Pat; Stone, Graham; Johnston, Ian (2009). Environmental Physiology of Animals. Wiley. pp. 190. ISBN 9781405107242.
  20. ^ Humphries, Murray M. (2010-11-01). "Endotherm Metabolism Too Hot to Handle". Journal of Experimental Biology. 213 (21): iv. doi:10.1242/jeb.051300.