Ciepło (Q) i bilans cieplny organizmu Q +Q = Q +Q +Q +Q +Q

Ciepło (Q) i bilans cieplny organizmu
Ciepło - w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania
energii układowi termodynamicznemu polega na przekazywaniu energii
chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach
cząstek tworzących te układy; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z
form energii.
Qr,abs+Qmetab = Qevap+Qr,emit+Qconvect+Qcond+Qstor
Qr,abs - absorpcja ciepła przez promieniowanie
Qmetab – metaboliczna produkcja ciepła
Qevap – utrata ciepła przez parowanie
Qr,emit – ciepło wypromieniowane
Qconvect – utrata ciepła przez konwekcję
Qcond – utrata ciepła przez przewodnictwo
Qstor – ciepło zmagazynowane
Co to jest metabolizm?
przemiana materii, metabolizm, całokształt zachodzących
w komórkach żywego organizmu reakcji chem. i związanych z
nimi przemian energ., stanowiący podłoże wszelkich zjawisk biol.;
na przemiany metaboliczne składają się wymagające wkładu
energii procesy biosyntezy org. związków chem. (anabolizm) oraz
przebiegające z uwalnianiem energii procesy rozkładu tych
związków (katabolizm); dzięki enzymom p.m. przebiega
stosunkowo szybko w niskiej temp. (20–40°C); energia chem.
wyzwalana podczas procesów katabolicznych jest wykorzystywana
do syntezy związków metabolicznych, aktywnego transportu
substancji przez błony komórkowe i subkomórkowe, wykonywania
pracy mech. oraz ulega rozproszeniu w postaci ciepła.
1
h – współczynnik
utraty ciepła
(konwekcja,
promieniowanie,
przewodnictwo,
parowanie)
(Tb-Ta) –
różnica między
temperaturą ciała
(Tb) a temperaturą
otoczenia (Ta)
Tempo metabolizmu (MR)
Tempo metabolizmu zwierzęcia stałocieplnego a temperatura otoczenia
dHm
MR = h (Tb - Ta), a właściwie:
= C (Tb − Ta)
dt
Strefa termoneutralna
TNZ
Dolna granica
TNZ
Górna granica
TNZ
Podstawowe tempo metabolizmu
(BMR)
Temperatura otoczenia (Ta)
Tb,
dHm
=0
dt
Skalowanie
Mysz – 101 g, słoń - 3·106 g; bakterie 10-10 g, płetwal błękitny >108 g
2
MR ∝ m 0.75
powierzchnia sześcianu
30
Objętość a powierzchnia
25
S =6V
20
15
0,67
S = k × V 0,67
y = a · xb
10
5
0
0
2
4
6
8
objętość sześcianu
10
S
V 0,67
=k
= k × V 0, 67 −1
V
V
S
= k × V −0,33
V
"Powierzchnia względna"
Mniejsze obiekty mają
względnie większą
powierzchnię w stos. do swojej
objętości niż obiekty większe o
tym samym kształcie.
powierzchnia sześcianu
100
log y = log a · b log x
nachylenie = 0,67
10
nachylenie = - 0,33
1
0.1
1
10
objętość sześcianu
3
Budżet energetyczny
A. Górecki i in. Ćwiczenia z
Ekologii 1987
• Straty: kał- 10-60%
• Mocz: 4-10%
• SDA- Specyfic Dynamic Action- koszty
energetyczne związane z przyjęciem pokarmu.
4
Organizm to „beczka” w stanie dynamicznej równowagi.
Musi być pełna. Gdy
za mały dopływ
energii ze środowiska
to „zakręca się” pracę
bądź wzrost. Ale nie
da się całkiem
zakręcić
metabolizmu.
Dlaczego znajomość energetyki jest ważna dla ekologa?
-Informuje o wydatkach energetycznych zwierzęcia w danym
środowisku
-Ile zwierzę zjada
-Jakiego potrzebuje areału do swojego funkcjonowania
-Wskazuje na adaptacje do danego środowiska/trybu życia
-Daje wskazówkę o wymaganiach środowiskowych danego
gatunku
5
Wielkość terytorium jest
skorelowana z masą ciała.
To wpływa na zagęszczenie
drapieżników.
6
Dieta a metabolizm - nietoperze
m-0.25
(z: McNab, 1982)
Spadek BMR
7
h – współczynnik
utraty ciepła
(konwekcja,
promieniowanie,
przewodnictwo,
parowanie)
(Tb-Ta) –
różnica między
temperaturą ciała
(Tb) a temperaturą
otoczenia (Ta)
Tempo metabolizmu (MR)
Tempo metabolizmu zwierzęcia stałocieplnego a temperatura otoczenia
dHm
MR = h (Tb - Ta), a właściwie:
= C (Tb − Ta)
dt
Strefa termoneutralna
TNZ
Dolna granica
TNZ
Górna granica
TNZ
Podstawowe tempo metabolizmu
(BMR)
Temperatura otoczenia (Ta)
Tb,
dHm
=0
dt
Wpływ masy
>
Wpływ izolacji
8
Czy dinozaury mogły być stałocieplne?
mb = 50 T
9
Stąd:
298097,880 kJ/dzień – ektotermiczny
2778103,749 kJ/dzień – endotermiczny
1 g suchego jedzenia = 20 kJ, z czego przyswajane jest ~13 kJ
80% jedzenia = woda
Kontynuując:
~114,5 kg/dzień potrzebne dla ektoterma
~1068,5 kg/dzień potrzebne dla endoterma
ALE! Tylko 65% jest strawione....
Reszta...
Wydalone 35 %, więc dla ektotermicznego dinozaura: ~40kg/dzień
odchodów, dla endotermicznego: 373 kg/dzień
Po kilku przeliczeniach: rocznie endotermiczny, 50 T dinozaur
pokryłby 2.73 ha 20 cm warstwą łajna...
10
Metody pomiaru
wydatków
energetycznych
Metody pomiaru poziomu
metabolizmu:
• Bezpośrednia: pomiar ilości wydzielonego
ciepła w kalorymetrze
• Pośrednia:
- pomiar wymiany gazowej; podstawa –
1 LO2 = 20.087 kJ
- Metoda podwójnie znakowanej wody
11
Z: Hill i wsp. 2004
The world’s first ice-calorimeter, used in the winter of
1782-83, by Antoine Lavoisier and Pierre-Simon
Laplace,
Metoda pośrednia
• Ilości pochłoniętego tlenu i wydzielonego
dwutlenku węgla w jednostce czasu są
proporcjonalne do szybkości przemian
metabolicznych.
• Musimy zmierzyć poziom tlenu i dwutlenku
węgla na wejściu do komory metabolicznej
oraz poziom wyjściowy.
12
Z: Hill i wsp. 2004
Technika pomiarów
• Pomiar w otwartym przepływie
Za Withers 2001
13
Kalorymetria w respirometrze z otwartym przepływem
14
15
Diagram of open-flow respirometry setup used in measuring respiratory
Lester, C. W. et al. J Exp Biol 2006;209:4283-4294
16
O2 - ?%
CO2 - ?%
17
Technika podwójnie znakowanej wody (2H218O = D218O)
„Normalna” woda
1H 16O
2
H2 – tracony tylko w H2O
O2 - wydalany w CO2 i H2O
RQ = CO2/O2, stąd O2 = CO2/RQ
18