Główna zawartość
Biologia - program rozszerzony
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 8
Lekcja 2: Przepływ energii w ekosystemachTempo przemiany materii
Metabolizm zwierząt stałocieplnych (endotermicznych) i zmiennocieplnych (ektotermicznych). Podstawowe tempo przemiany materii i standardowe tempo przemiany materii. Jak tempo przemiany materii zmienia się w zależności od wielkości organizmu i poziomu jego aktywności. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu firmy Deloitte.
Kluczowe punkty:
- Metabolizm jest nieefektywny i wytwarza ciepło. Zwierzęta stałocieplne (endotermiczne) wykorzystują ciepło wytwarzane w procesach metabolizmu, aby utrzymać stałą temperaturę ciała, podczas gdy zwierzęta zmiennocieplne (ektotermiczne) nie.
- „Podstawowe” tempo metabolizmu zwierzęcia mierzy się jako podstawową przemianę materii (PPM) dla zwierząt endotermicznych lub jako standardową przemianę materii (SPM) dla zwierząt ektotermicznych.
- Wśród zwierząt endotermicznych, mniejsze zwierzęta mają zwykle wyższe tempo podstawowej przemiany materii na gram, niż większe zwierzęta. To samo dotyczy zwierząt ektotermicznych, chociaż nie możemy porównywać tych grup.
- Tempo metabolizmu różni się w zależności od poziomu aktywności. Bardziej aktywne zwierzęta mają wyższą tempo przemiany materii niż mniej aktywne zwierzęta.
- Niektóre zwierzęta wchodzą w stan torporu, w którym ich metabolizm ulega spowolnieniu. Formami torporu są: hibernacja zimą i estywacja latem.
Wprowadzenie
Możesz być przyzwyczajony do myślenia o metabolizmie w kategoriach zwyczajów żywieniowych człowieka. Na przykład osoba, która musi stale jeść, aby nie stracić na wadze, może powiedzieć, że ma „szybki metabolizm”, podczas gdy osoba, która je niewiele i nadal przybiera na wadze, może powiedzieć, że ma „powolny metabolizm”.
Jednak metabolizm nie jest czymś wyłącznie zarezerwowanym dla ludzi. W rzeczywistości, metabolizm odnosi się po prostu do całkowitej sumy reakcji biochemicznych zachodzących w organizmie. Tak więc każda żywa istota ma metabolizm, od bakterii przez rośliny do ciebie!
Jakie dokładnie jest tempo metabolizmu organizmu? Mówiąc najogólniej, tempo metabolizmu odnosi się do tego, jak szybko rozkładane są paliwa (takie jak cukry), aby komórki organizmu mogły funkcjonować. Występują ogólne różnice w tempie metabolizmu między gatunkami, a dodatkowo warunki środowiskowe i poziom aktywności poszczególnych organizmów również będą miały wpływ na tempo metabolizmu.
W tym artykule przyjrzymy się bliżej podstawom metabolizmu i zobaczymy, jak tempo metabolizmu może się różnić w zależności od gatunku i okoliczności.
Metabolizm i produkcja ciepła
Prawdopodobnie nie jest dla ciebie nowością, że zwierzęta (takie jak ludzie) potrzebują pożywienia jako źródła energii. Ale dlaczego tak jest?
Cząsteczki zawarte w śniadaniu, obiedzie lub kolacji mają energię zmagazynowaną w wiązaniach chemicznych. Niektóre reakcje metaboliczne twojego organizmu, takie jak te, które składają się na oddychanie komórkowe, uzyskuję tę energię i przechowują jej część w postaci adenozyno-5'-trifosforanu (ATP). Ta cząsteczka przenosząca energię może z kolei być wykorzystywana do napędzania innych reakcji metabolicznych, które umożliwiają komórkom funkcjonowanie.
Cząsteczki z pożywienia są również wykorzystywane jako budulec struktur ciała. Na przykład białka z pożywienia są rozkładane na części składowe (aminokwasy) i mogą być wykorzystywane do budowy nowych białek w twoich własnych komórkach. Jeśli zjesz więcej niż potrzeba, aby uzupełnić zużytą energię, nadwyżka energii z pożywienia może być również przechowywana jako glikogen (łańcuch połączonych cząsteczek glukozy) lub jako trójglicerydy (cząsteczki tłuszczu) do późniejszego wykorzystania.
Działania polegająca na uzyskiwaniu energii z cząsteczek paliwa i wykorzystywaniu jej do napędzania reakcji komórkowych nie są procesem doskonale wydajnym. W rzeczywistości żaden transfer energii nie może być doskonale wydajny - to podstawowe prawo fizyki. Zamiast tego za każdym razem, gdy energia zmienia formę, pewna jej ilość jest przekształcana w nieużywalną formę. W reakcjach metabolizmu zwierzęcia duża część energii zmagazynowanej w cząsteczkach paliwa jest uwalniana w postaci ciepła.
To niekoniecznie jest złe! Niektóre zwierzęta mogą wykorzystywać (i regulować) swoją produkcję ciepła w wyniku metabolizmu, aby utrzymać względnie stałą temperaturę ciała. Te zwierzęta, zwane stałocieplnymi (endotermicznymi), obejmują ssaki, takie jak ludzie, a także ptaki. Z drugiej strony, zwierzęta zmiennocieplne (ektotermiczne) to zwierzęta, które nie wykorzystują metabolicznej produkcji ciepła do utrzymania stałej temperatury ciała. Zamiast tego temperatura ich ciała zmienia się wraz z temperaturą otoczenia. Przykładami zwierząt zmiennocieplnych są jaszczurki i węże.
Tempo metabolizmu
Ilość energii zużywanej przez zwierzę w określonym czasie nazywana jest jego tempem metabolizmu. Tempo metabolizmu można mierzyć w dżulach, kaloriach lub kilokaloriach na jednostkę czasu. Możesz również zobaczyć tempo metabolizmu podane jako ilość zużytego tlenu (lub wyprodukowanego dwutlenku węgla) w jednostce czasu. Tlen jest zużywany podczas oddychania komórkowego, a dwutlenek węgla jest wytwarzany jako produkt uboczny, więc oba te pomiary wskazują, ile paliwa jest spalane.
W niektórych przypadkach tempo metabolizmu podaje się dla całego zwierzęcia. W innych przypadkach tempo metabolizmu jest podawane w przeliczeniu na masę - na przykład ile energii zużywa 1 start text, g, r, a, m, end text tkanki zwierzęcia na jednostkę czasu. Tempo metabolizmu w przeliczeniu na masę pomaga nam dokonywać porównań między organizmami o różnych rozmiarach.
„Podstawowe” tempo metabolizmu zwierzęcia mierzy się jako podstawową przemianę materii (PPM) dla zwierząt endotermicznych lub jako standardową przemianę materii (SPM) dla zwierząt ektotermicznych . Zarówno PPM, jak i SPM są miarami tempa metabolizmu u zwierząt, które są w stanie spoczynku, są spokojne/nie są zestresowane i nie trawią aktywnie pokarmu (są na czczo).
- W przypadku zwierząt endotermicznych, PPM mierzy się, gdy zwierzę znajduje się w środowisku termoneutralnym, to znaczy takim, w którym organizm nie zużywa dodatkowej energii (ponad podstawowej) do utrzymania temperatury.
- W przypadku zwierząt ektotermicznych, SPM będzie się zmieniać w zależności od temperatury, więc każdy pomiar SPM jest specyficzny dla temperatury, w której jest wykonywany.
Zwierzęta endotermiczne mają zazwyczaj wysokie podstawowe tempo przemiany materii i duże zapotrzebowanie na energię, przez utrzymywanie stałej temperatury ciała. Zwierzęta ektotermiczne o podobnej wielkości mają zwykle znacznie niższe standardowe tempo przemiany materii i zapotrzebowanie na energię, czasami o 10, percent lub mniej w porównaniu ze zwierzętami endotermicznymistart superscript, 5, end superscript.
A co z ludźmi? U dorosłych mężczyzn wskaźnik PPM zwykle wynosi od 1600 do 1800 start text, k, c, a, l, slash, d, z, i, e, n, with, \', on top, end text, a PPM dorosłej kobiety zazwyczaj waha się od 1300 do 1500 start text, k, c, a, l, slash, d, z, i, e, n, with, \', on top, end text. Nie oznacza to jednak, że tylko tyle kalorii powinieneś jeść! Większość ludzi ma wyższe tempo przemiany materii po prostu dzięki wykonywaniu codziennych czynności, takich jak wstawanie, chodzenie, praca lub nauka.
Zapotrzebowanie energetyczne w zależności od wielkości organizmu
Które z nich ma wyższe podstawowe tempo przemiany materii: mysz czy słoń? Jeśli spojrzymy na tempo metabolizmu całego organizmu, słoń wygra - u słonia jest o wiele więcej metabolizujących tkanek, niż u myszy. Jeśli jednak spojrzymy na tempo przemiany materii w przeliczeniu na masę, sytuacja się odwraca. Gram tkanki myszy metabolizuje ponad 10 razy szybciej niż gram tkanki słonia!
Co ciekawe, zależność ta ma charakter bardzo ogólny. Wśród zwierząt endotermicznych (zwierząt, które wykorzystują ciepło ciała do utrzymania stałej temperatury wewnętrznej), im mniejsza masa organizmu, tym wyższe może być jego podstawowe tempo przemiany materii. Zależność między masą a tempem metabolizmu jest prawdziwa dla wielu gatunków, a nawet jest określona równaniem matematycznym.
Dlaczego tak się dzieje? Krótka odpowiedź brzmi: nie wiemy do końca! Częściowo można to wyjaśnić odnosząc się do stosunku powierzchni do objętości zwierzęcia i tego, jak zmienia się on w zależności od wielkości. Tak jak mała komórka ma większą powierzchnię w stosunku do objętości niż duża komórka, tak małe zwierzę ma większą powierzchnię ciała w stosunku do objętości metabolizującej tkanki.
Ponieważ zwierzęta wymieniają ciepło ze swoim otoczeniem całą powierzchnią ciała, małe zwierzęta będą oddawały ciepło do chłodniejszego środowiska szybciej niż duże zwierzęta. Z tego powodu mniejsze zwierzę potrzebowałoby więcej energii i wyższego tempa metabolizmu, aby utrzymać stałą temperaturę wewnętrzną (w środowisku poniżej temperatury ciała).
Jednak prawdopodobnie nie jest to pełne wyjaśnienie związku między masą ciała a tempem metabolizmu. Dlaczego nie? Po pierwsze, tempo metabolizmu zwierząt ektotermicznych również ma tendencję do zmian wraz z masą ciała, podobnie jak w przypadku zwierząt endotermicznychstart superscript, 6, comma, 7, end superscript. Trudno to wytłumaczyć w odniesieniu do zatrzymywania i utraty ciepła, ponieważ zwierzęta ektotermiczne nie utrzymują temperatury ciała innej niż ich otoczenie. Prawdziwa przyczyna związku między tempem metabolizmu a masą ciała pozostaje nierozwiązaną tajemnicąstart superscript, 6, comma, 8, end superscript.
Zapotrzebowanie energetyczne w zależności od poziomu aktywności
Podstawowa przemiana materii (BMR) lub standardowa przemiana materii (SMR) jest miarą tempa metabolizmu zwierzęcia, gdy jest spokojne, nie jest zestresowane ani podekscytowane i nie robi nic aktywnego. Nie wiem jak w twoim przypadku, ale przez większość czasu do mnie ten opis nie pasuje!
Im bardziej aktywne jest zwierzę, tym więcej energii musi zostać zużyte na utrzymanie tej aktywności i tym wyższe jest jego tempo metabolizmu. Na przykład chomik biegnący na kole na poniższym obrazku miałby wyższe tempo przemiany materii niż podobny chomik drzemiący w kącie.
To jest coś, co my, ludzie, znamy z codziennego życia. Na przykład, jeśli spędzasz dzień na długiej wędrówce lub uprawianiu sportu z przyjaciółmi, prawdopodobnie będziesz głodny (co oznacza, że zużyłeś dużo energii i potrzebujesz więcej paliwa). Z drugiej strony, jeśli cały dzień będziesz leżeć w łóżku, czytając lub oglądając telewizję, prawdopodobnie będziesz mniej głodny, ponieważ zużyłeś mniej energii.
Dla typowego zwierzęcia średnie dzienne zużycie energii jest znacznie wyższe niż BMR - około 2 do 4 razy. My, ludzie, prowadzimy bardziej siedzący tryb życia (mniej aktywny) niż typowe zwierzę, więc średnie dzienne tempo metabolizmu wynosi tylko około 1, comma, 5 razy więcej, niż BMR.
Tempo metabolizmu zwierzęcia określa, ile pokarmu musi spożyć, aby utrzymać stałą masę ciała. Jeśli zwierzę nie zje wystarczającej ilości pożywienia, aby uzupełnić zużytą energię, straci na masie ciała (ponieważ glikogen, tłuszcze i inne makrocząsteczki są spalane jako paliwo). Z drugiej strony, jeśli zwierzę zjada więcej pożywienia, niż potrzebuje do uzupełnienia zużywanej energii, wytworzy nadmiar energii chemicznej, która jest przechowywana przez organizm w postaci glikogenu lub tłuszczu. Jest to podstawa utraty i przyrostu masy ciała zarówno u ludzi, jak i innych zwierząt.
Torpor, hibernacja i estywacja
Niektóre zwierzęta reagują na bodźce środowiskowe, spowalniając procesy metaboliczne i obniżając temperaturę ciała, wchodząc w tzw. torpor. Torpor to stan obniżonej aktywności i tempa metabolizmu, który pozwala zwierzętom przetrwać niekorzystne warunki i/lub oszczędzać energię.
Torpor może trwać przez długi czas. Na przykład niektóre zwierzęta przechodzą w hibernację, stan, w którym spowalniają metabolizm i utrzymują obniżoną temperaturę ciała w okresie zimowym. Bodźce, które powodują, że zwierzęta wchodzą w stan hibernacji, obejmują spadek temperatury i skrócenie dni start superscript, 9, end superscript. Poniższe zdjęcie przedstawia nietoperza w okresie zimowej hibernacji.
Różne zwierzęta mają różne wzorce hibernacji. Na przykład temperatura brzucha wiewiórki w stanie hibernacji może spaść nawet do 0, °, start text, C, end text (32, °, start text, F, end text), ale wiewiórka musi okresowo budzić się - prawdopodobnie by spać, jeść lub wykonywać inne czynności pielęgnacyjne ciała. W przeciwieństwie do tego, temperatura wewnętrzna niedźwiedzia pozostaje wyższa i wynosi 31, °, start text, C, end text (88, °, start text, F, end text) lub więcej, ale niedźwiedź może hibernować przez całą zimę bez konieczności budzenia się start superscript, 10, end superscript.
Niektóre zwierzęta wpadają w dłuższy okres torporu w miesiącach letnich, kiedy panują wysokie temperatury i jest mało wody. W tym przypadku dłuższy torpor nazywa się estywacją. Niektóre zwierzęta pustynne zapadają w estywację w odpowiedzi na suche warunki, a ta zmiana pomaga im przetrwać najcięższe miesiące w roku start superscript, 9, end superscript. Ślimaki na poniższym zdjęciu wspinają się na szczyty słupków ogrodzenia, aby tam zapaść w estywację.
Torpor może również trwać przez krótkie okresy. Codzienny torpor może występować sporadycznie, w odpowiedzi na niekorzystne warunki lub powtarzać się w przewidywalny sposób. Na przykład niektóre małe zwierzęta endotermiczne, takie jak popielice, zmniejszają ilość potrzebnej energii (a tym samym pożywienia, które muszą spożywać), zapadając w torpor podczas części dnia, która jest najzimniejsza - w przeciwnym razie musiałyby zużywać dużo energii, aby wytwarzać ciepło metaboliczne i utrzymywać odpowiednią temperaturę ciała.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji