Termoregulacija je integriran sistem bioloških mehanizmov, ki je zasnovan tako, da ohranja skoraj konstantno notranjo temperaturo ne glede na podnebne razmere zunaj organizma. Ti mehanizmi - še posebej učinkoviti pri pticah in sesalcih (vse homeotermne živali), manj pa pri ribah, dvoživkah in plazilcih (perutninski molji) - vključujejo postopke proizvodnje, ohranjanja in razprševanja toplote.
Ker pogosto debeli subjekti ne jejo nenormalno, če ga primerjamo z drugimi normopeso posamezniki, ki včasih jedo še več, je verjetno, da - z enako fizično aktivnostjo - spremembe termoregulacijskih procesov lahko privedejo do manjše porabe energije, s kopičenjem presežek energije v obliki maščobe. Tanka oseba, za razliko od debelih, bi bila zato boljša pri odlaganju prehrambenih presežkov (glej rjavo maščobno tkivo) v obliki toplote.
Termoregulacija je lahko najprej prostovoljna ali neprostovoljna. V prvem primeru je žival sama tista, ki prostovoljno sproži ustrezne vedenjske strategije, kot je iskanje zavetišča, zaščitenega pred vremenskimi vplivi ali migracij na najprimernejša mesta za vzdrževanje telesne temperature.
Tudi nenamerni termoregulacijski odzivi se lahko izzovejo zaradi izpostavljenosti hladnemu okolju ali v toplem okolju. V vsakem primeru pa predvidevajo intervencijo hipotalamičnega termoregulacijskega centra, ki je sposoben pobrati in obdelati signale, ki prihajajo iz kožnih in centralnih termoreceptorjev (ki se nahajajo v možganih, hrbtenjači in osrednjih organih) in usklajujejo najprimernejši fiziološki odziv za vzdrževanje telesne temperature.
Termoregulacija v hladnih okoljih
Namen termoregulacijskih prilagoditev mraza je ohraniti in / ali proizvesti toploto.
Sposobnost organizma, da proizvaja toploto, se imenuje termogeneza; večinoma je obvezen in povezan s fiziološkimi in presnovnimi procesi, ki so vključeni v premikanje, prebavo, absorpcijo in predelavo hranil, ki so vključeni v prehrano.
Sesalci imajo možnost povečati proizvodnjo toplote (neobvezno termogeneza), ki vključuje ali ne mehanizem vznemirjenja. V prvem primeru govorimo o drgetajoči termogenezi . Ta mehanizem vodi v proizvodnjo toplote z ritmično in izometrično kontrakcijo mišičnega tkiva, ki ni namenjeno gibanju. Spreminjanje kontrakcij in relaksacij vodi do značilnega tremorja, imenovanega drhtenje, ki se pojavi, ko se telesna temperatura »opazno« zmanjša. Tresljaji ustvarjajo delež toplote, ki je celo 6-8 krat večji od tistega, ki ga proizvaja mišica v mirovanju. Običajno se pojavlja le, če maksimalna vazokonstrikcija (glej spodaj) ni uspela ohraniti telesne temperature.
Termogeneza brez drgetanja, imenovana tudi kemijska termogeneza, vključuje proizvodnjo toplote preko eksotermnih biokemičnih reakcij (ki proizvajajo toploto). Te reakcije se dogajajo v posebnih organih, kot so rjava maščobna tkiva (BAT), jetra in mišice.
Rjavo maščobno tkivo, značilno za prezimovanje živali in redko pri ljudeh (večje pri novorojenčkih), je tako definirano z značilno rjavo pigmentacijo (vidno s prostim očesom), ki jo dajejo karotenoidi, prisotni na mitohondrijski ravni. Te elektrarne rjave maščobne celice odlikujejo nadaljnja značilnost, prisotnost mitohondrijskega proteina UCP1. Ta beljakovina, ki se nahaja na ravni mitohondrijske membrane, ima značilnost ločevanja oksidativne fosforilacije, s čimer daje prednost proizvodnji toplote na škodo nastajanja molekul ATP. Preprosto povedano, rjavo maščobno tkivo je namenjeno zgorevanju hranil (predvsem maščob), da bi povečali proizvodnjo toplote. Aktiviranje rjavega maščobnega tkiva, ki ga stimulira mraz, je večinoma povezano z sproščanjem noradrenalina in njegovim medsebojnim delovanjem s receptorji β3, hkrati pa je zagotovljeno z endokrinimi mehanizmi, kot je sproščanje T3 in T4 iz ščitnice. Največje usedline rjavega maščobnega tkiva so zabeležene v interskularnih, periaortnih in perirenalnih območjih; na teh ravneh so postavljeni blizu krvnih žil, ki jim dajejo toploto, tako da se prenašajo s pretokom krvi v periferna področja telesa.
Trenutno se verjame, da jetra sodelujejo tudi v termoregulaciji, kar povečuje njeno presnovno aktivnost - s posledično proizvodnjo toplote - ko je človeško telo izpostavljeno nizkim temperaturam. Nedavno odkritje je bilo odkrivanje izooblik proteina UCP1 v mišicah, kar kaže na domnevno termogenetsko vlogo presnovnega izvora (poleg sposobnosti proizvajanja toplote skozi drhtaj). Nazadnje izpostavljenost nizkim temperaturam poveča srčno aktivnost, ki je potrebna za podporo presnovnim potrebam aktivnih tkiv v teh okoliščinah (kot je BAT) in povečanje prenosa toplote, proizvedene v teh anatomskih okrožjih. Poleg zagotavljanja vsega tega je povečanje srčne aktivnosti samo po sebi zmožno proizvesti nezanemarljivo količino toplote.
Nadzor toplotnih izgub je odvisen od fizikalnih zakonitosti prevodnosti, konvekcije, sevanja in izhlapevanja.
PRENOS : prenos toplote med dvema objektoma pri različnih temperaturah, v stiku med seboj skozi površino.
SEVANJE ali OBRAZANJE : prenos toplote med dvema objektoma pri različnih temperaturah, ki NISO v stiku. Izguba ali nakup toplote nastane v obliki sevanja z valovnimi dolžinami v vidnem ali infrardečem območju; če je jasno, je to enako, kot sonce ogreva zemljo skozi vesolje. Izguba toplote zaradi sevanja predstavlja več kot polovico količine toplote, ki jo izgubi človeško telo.
KONVEKCIJA : prenos toplote iz telesa v vir, ki se premika skozi njega (tokovi zraka ali vode). Gibanje vode ali hladnega zraka skozi toplejšo kožo povzroča stalno izločanje toplote.
IZPOSTAVLJENOST : prenos toplote s prenosom tekočine v plinasto stanje tekočin, ki se izgubijo zaradi potenja, neobčutljive izgube skozi kožo in dihalne poti.
Zmanjšanje toplotne disperzije v okolju poteka v bistvu z zadrževanjem kožnega pretoka krvi (vazokonstrikcija) in piroerekcije (pri kožuhih, med toplo kožo in hladnim okoljem, ustvarja se zračna blazina, ki deluje s toplotno izolacijo).
Povečanje apetita povečuje proizvodnjo toplote preko termogenetskih mehanizmov, ki jih povzroča prehrana, in podpira energetske potrebe termogenetskih organov.
Termoregulacija v vročem okolju
Med bivanjem v toplih okoljih se organizem odziva s serijo termodisperzivnih mehanizmov, ki so v marsičem v nasprotju s tistimi, ki so samo prikazani; poleg tega so presnovni procesi, ki so osnova neobvezne termogeneze, suspendirani. Ti vključujejo kožno vazodilatacijo in povečano znojenje, frekvenco in globino dihanja (polipnea), vse procese, katerih cilj je povečati disperzijo toplote z izhlapevanjem. V teh okoliščinah se zmanjšuje tudi apetit in srčni utrip, kar je posledica manjšega povpraševanja po kisiku s strani termogenetskih organov.
Med dolgotrajnimi prilagoditvenimi procesi lahko cenimo tudi zmanjšanje izločanja hipofize stimulirajočega hormona ščitnice, kar posledično upočasni presnovo in s tem proizvodnjo toplote.
Kot je bilo omenjeno v prejšnjem poglavju, proces vazokonstrikcije večinoma nadzira simpatični živčni sistem. Gladke mišice na ravni predkapilarnih sfinkterjev in arteriolov prejmejo aferentne od postganglionskih simpatičnih (adrenergičnih) nevronov. Če se globoka temperatura spusti (izpostavljenost mrazu), hipotalamus selektivno aktivira te nevrone, ki s sproščanjem noradrenalina določajo krčenje gladke mišice arteriola, s čimer se zmanjša pretok krvi v koži. Ta termoregulacijski odziv ohranja kri toplejšo na notranjih organih, kar zmanjšuje pretok krvi na površini kože, ki jo je vreme hladilo. Medtem ko je vazokonstrikcija aktiven proces, je vazodilatacija pretežno pasivni proces, ki je odvisen od suspenzije vazokonstriktorne aktivnosti z inhibicijo simpatične aktivnosti. Če je ta proces značilen za telesne okončine, so v drugih delih telesa prednostni vazodilataciji specializirani nevroni, ki izločajo acetilholin. Posebni primeri so tudi lokalna ekspanzija nekaterih vaskularnih predelov po sproščanju dušikovega monoksida (NO) ali drugih vazodilatacijskih parakrinskih snovi.
V okviru termoregulacije se kožni pretok krvi spreminja od vrednosti blizu nič, ko je potrebno ohraniti toploto, do skoraj tretjine srčnega razpona, ko je treba toploto spustiti v okolje.
