Адаптиране към климатичните крайности

адаптивност


Хората и много други бозайници имат необичайно ефективни системи за вътрешно регулиране на температурата, които автоматично поддържат стабилна температура на тялото в студените зими и топлото лято. Освен това хората са разработили културни модели и технологии, които им помагат да се адаптират към екстремни температури и влажност.

В много студен климат съществува постоянна опасност от развитие хипотермия, което е животозастрашаващо спадане на основната телесна температура до субнормални нива. Нормалната температура за хората е около 98,6 ° F. (37,0 ° C.). Въпреки това, индивидуалните разлики в метаболизма, нивата на хормоните, физическата активност и дори времето на деня могат да доведат до 1 ° F. (.6 ° C.) по-високо или по-ниско при здрави индивиди. Нормално е също така основната телесна температура да е по-ниска при възрастни хора. Хипотермия започва да се появява, когато основната телесна температура падне до 94 ° F. (34,4 ° C.). Под 85 ° F. (29.4 ° C) тялото се охлажда по-бързо, тъй като естествената му система за регулиране на температурата (в хипоталамуса) обикновено се проваля. Сегашният бърз спад на основната телесна температура вероятно ще доведе до смърт. Има обаче редки случаи, в които хората са съживени, след като температурите им спаднат до 57-60 ° F. (13.9-15.6 ° C.). Това се случи през 1999 г. с една шведка, която беше хваната под ледена покривка в студена вода за 80 минути. Намерена е в безсъзнание, не диша и сърцето й е спряло да бие, но в крайна сметка тя е съживена, въпреки факта, че температурата й е спаднала до 56,7 ° F.

В изключително горещ климат или в резултат на неконтролируеми инфекции, основните телесни температури могат да се повишат до еднакво фатални нива. Това е хипертермия . Животозастрашаващата хипертермия обикновено започва при хората, когато температурите им се повишат до 105-107 ° F. (40.6-41.7 ° C.). Само няколко дни при това изключително високо температурно ниво вероятно ще доведе до влошаване на вътрешните органи и смърт.

Размерът и формата на тялото са важни фактори за това колко ефективно индивидът реагира физиологично на студен и горещ климат. Двама натуралисти от 19-ти век, Карл Бергман и Джоел Алън, формулират правила относно тези фактори.


Правилото на Бергман

През 1847 г. немският биолог ° С арл Бергман се наблюдава, че в рамките на един и същи вид топлокръвни животни популациите с по-малко масивни индивиди се срещат по-често в топъл климат близо до екватора, докато тези с по-голяма маса или маса се намират по-далеч от екватора в по-студените райони. Това се дължи на факта, че големите животни обикновено имат по-големи телесни маси, което води до получаване на повече топлина. По-голямото количество топлина се получава от това, че има повече клетки. Нормален страничен продукт от метаболизма в клетките е производството на топлина. Впоследствие, колкото повече клетки има животно, толкова повече вътрешна топлина ще произведе.

В допълнение, по-големите животни обикновено имат по-малка повърхност спрямо телесната си маса и следователно са сравнително неефективни при излъчване на телесната топлина в околната среда. Връзката между площта и обема на обектите е описана през 1630 г. от Галилей. Може да се демонстрира с кубчетата, показани по-долу. Обърнете внимание, че силата на звука се увеличава два пъти по-бързо от повърхността. Това е причината, поради която относително по-малката повърхност води до загуба на относително по-малко топлина от животните.

Сравнение на повърхностите на куба и обемите, илюстриращи правилото на Бергман
Масивна полярна
телата на мечките са
предсказано от
Правилото на Бергман

Полярните мечки са добър пример за това явление. Те имат големи, компактни тела с относително малки повърхности, от които могат да загубят вътрешно произведената си топлина. Това е важен актив в студения климат. В допълнение, те имат тежка изолация от козина и мазнини, които помагат да се запази телесната топлина.

Правилото на Бергман обикновено важи и за хората. Изследване на 100 човешки популации в началото на 50-те години показва силна отрицателна корелация между телесната маса и средната годишна температура в региона. С други думи, когато температурата на въздуха е постоянно висока, хората обикновено имат ниска телесна маса. По същия начин, когато температурата е ниска, те имат висока маса. Има обаче и изключения. Нашето облекло и технологии, които ни позволяват да поддържаме сградите топли през зимата и хладни през лятото, са склонни да компенсират ефектите от естествения подбор, който сега оформяме телата си. В допълнение, културно насочените критерии за подбор на партньори също донякъде противоречат на правилото на Бергман за хората.

Следствие от правилото на Бергман гласи, че бозайникът с линейна форма ще губи топлина за околната среда по-бързо от по-компактен с подобен размер. Полето по-долу илюстрира този факт. Имайте предвид, че дългата, тясна кутия има същия обем, но по-голяма повърхност. Сравним е с високо и стройно животно.


Правилото на Алън

През 1877 г. американският биолог Джоел Алън отиде по-далеч от Бергман, като забеляза, че дължината на ръцете, краката и други придатъци също оказва влияние върху количеството топлина, загубено за околната среда. Той отбеляза, че сред топлокръвните животни индивидите от популации от същия вид, живеещи в топъл климат близо до екватора, имат по-дълги крайници, отколкото популациите, живеещи по-далеч от екватора в по-студена среда. Това се дължи на факта, че тяло с относително дълги придатъци е по-малко компактно и впоследствие има по-голяма повърхност. Колкото по-голяма е повърхността, толкова по-бързо ще се загуби телесната топлина за околната среда.

Същото явление може да се наблюдава и при хората. Представителите на племето масаи от Източна Африка обикновено са високи и имат стройни тела с дълги крайници, които помагат за загубата на телесна топлина. Това е оптимална форма на тялото в горещите тропически части на света, но това би било недостатък в субарктическите региони. В такива изключително студени среди набитото тяло с къси придатъци би било по-ефективно за поддържане на телесната топлина, защото би имало относително по-малка повърхност в сравнение с телесната маса.

Ние губим топлина от околната среда по няколко начина, както е показано на илюстрацията по-горе вдясно. Обаче просто радиация е процесът, който е отговорен за по-голямата част от загубите, освен в горещ сух климат, където изпарително охлаждане, или изпотяване, може да бъде по-значимо.


 Реакции на студен климат

Много хора, живеещи в леден климат, пият алкохол, за да се стоплят. Това увеличава притока на кръв към крайниците на тялото, като по този начин осигурява усещане за топлина. Това обаче води само до временно затопляне и може да ускори загубата на топлина от жизненоважните вътрешни органи, което води до по-бърза смърт от хипотермия. Много по-ефективен културен отговор на изключително ниски температури е използването на изолационни дрехи, къщи и пожари. Хората по целия свят също се адаптират, като ограничават заниманията на открито до по-топлите часове на деня. В някои общества спането в семейни групи с притиснати тела един към друг също се прави, за да се намалят топлинните загуби през студените месеци на годината .

Има три допълнителни важни типа биологични реакции на студените условия, установени сред някои човешки популации по света:

1. 2. 3.
повишена скорост на основния метаболизъм
мастна изолация на жизненоважни органи
дългосрочна промяна в моделите на кръвния поток

Хората, живеещи в сурови субарктически региони, като инуитите (ескимосите) в далечните северни райони на западното полукълбо и индианците от Огнена земя в южния край, традиционно консумират големи количества висококалорични мазни храни. Това значително увеличава основната скорост на метаболизма, което от своя страна води до производството на допълнителна телесна топлина. Тези народи също носеха тежки дрехи, често спяха в сгушена маса с тела едно до друго и оставаха активни, когато бяха на открито.

Ju/'hoansi от Югозападна Африка и аборигените в Австралия обикновено реагират физиологично на студа по различен начин. Дебела мастна изолация се развива около жизненоважните органи на гърдите и корема. Освен това кожата им се охлажда поради вазоконстрикция през нощта. В резултат на това загубата на топлина се намалява и основната телесна температура остава на нормални нива. Въпреки това, кожата се чувства много студена през цялата нощ .

Този отговор не би бил адаптивен, ако Ju/'hoansi и аборигените живееха в постоянно замръзваща среда, тъй като концентрацията на телесна топлина в торсите им би позволила загубата на пръсти, пръсти и други придатъци от измръзване. Загубата на пръсти по-специално би затруднила тези ловци и събирачи да си набавят храна. Тяхната физиологична адаптация е към среди, които рядко остават дълго под нулата и които не съдържат обилни висококалорични мазни храни.


Отговори на горещия климат

Адаптирането към гореща среда е толкова сложно, колкото и адаптирането към студената. Въпреки това, студената адаптация обикновено е по-трудна физиологично за хората, тъй като по природа не сме субарктически животни. Ние не отглеждаме гъсти кожуси, нито обикновено имаме дебели слоеве мастна изолация като полярни мечки. Въпреки тази реалност в САЩ всяка година умират повече от топлина, отколкото от студ. Тези, които се поддават, обикновено са бебета, оставени в заключени коли в горещите дни, и възрастни бедни, които не могат да си позволят климатик.

Ефектът от топлината върху нашите тела варира в зависимост от относителната влажност на въздуха. Високите температури с висока влажност затрудняват загубата на излишна телесна топлина. Това се дължи на факта, че когато съдържанието на влага във въздуха се повиши, потта става все по-трудна за изпаряване. Потта остава върху кожата ни и ние се чувстваме лепкави. В резултат на това не получаваме охлаждащия ефект на бързото изпаряване.

Е. изпарителен експеримент за охлаждане. Поставете малко алкохол за триене на гърба на един от вашите
ръце и вода на гърба на другата. Размахайте ги във въздуха. Почувствайте разликата като
и двамата се изпаряват. Какво научихте за охлаждането с изпарение? (УКАЗАНИЕ: алкохолът е повече
летлив от водата - той се изпарява по-бързо. Следователно, ръката с алкохол се възпроизвежда
изпотяване в среда с много ниска влажност.)

При сухо и горещо време влажността е ниска и потта лесно се изпарява. В резултат на това обикновено се чувстваме достатъчно комфортно в пустините при температури, които са непоносими в тропическите дъждовни гори. Колкото по-високи са температурите в пустинята, толкова по-значим от охлаждащия ефект получаваме от изпарението. Тази връзка между относителната влажност и температурата на въздуха е количествено определена в таблицата по-долу. Когато видимата температура е в светложълт диапазон, изчерпването на топлината и спазмите са вероятни за хората. В ярко жълтия диапазон е вероятно опасен за живота топлинен удар.

Докато охлаждането с изпарение е много ефективно при сух климат, има сериозен недостатък. Това е бързата загуба на вода и соли от тялото чрез потта. Това може да бъде фатално за по-малко от ден, ако не бъдат заменени. Често се губи литър или повече вода чрез изпотяване на всеки час в сурови летни пустинни условия. Търговските „спортни напитки“ са предназначени да помогнат на хората в тези ситуации да рехидратират и да попълнят загубените минерални соли. Лесно и евтино е да създадете своя собствена еквивалентна напитка без излишните оцветители за храна и захар, които търговските напитки често включват, за да ги направят по-привлекателни за клиентите. Разредената лимонада с добавена сол може задоволително да служи на същата цел.

Повечето хора имат способността да се аклиматизират физиологично към горещи условия за период от дни до седмици. Концентрацията на сол в потта постепенно намалява, докато обемът на потта се увеличава. Обемът на урината също намалява. В допълнение, вазодилатацията на периферните кръвоносни съдове причинява зачервяване или зачервяване на кожата, тъй като повече кръв е близо до повърхността. Тази кръв носи топлина от основните части на тялото на повърхността, където тя може лесно да се разсейва в околната среда чрез радиация.

Изпарителното охлаждане също играе важна защитна роля, когато енергичната физическа активност води до прегряване на тялото. Изследователи от Международния университет в Осака и Университета Кобе в Япония откриха наскоро, че мъжете обикновено са по-ефективни при изпотяване от жените, когато извършват напрегната работа или упражнения. Мъжете обикновено започват да се потят по-рано и се потят повече от жените в отговор на същото количество усилие. Това би означавало, че мъжете и жените не са равни по отношение на толерантността към топлина. Необходими са обаче допълнителни изследвания с различни популации по света, за да се потвърди това заключение.

Функция на треска - може ли да бъде предимство при оцелелите инфекции?
Тази връзка ви отвежда до външен уебсайт. За да се върнете тук, трябва да кликнете
бутона „назад“ в програмата на вашия браузър. (дължина = 7 минути 3 2 секунди)

ЗАБЕЛЕЖКА: Изпотяването не е само механизъм за избавяне от излишната телесна топлина. Нашата пот съдържа редица различни вещества, включително феромони, които могат да имат мощни ефекти върху хормоналните системи на други хора, които са физически близки до нас. Изследователи от Monell Chemical Senses Center във Филаделфия показаха, че феромоните в потта на мъжете могат да причинят увеличаване на количеството лутеинизиращи хормони, отделяни от хипофизната жлеза на жената в основата на нейния мозък. Това от своя страна може да съкрати времето до следващата овулация. Впоследствие човешките мъжки феромони сега се разглеждат като потенциални бъдещи лекарства за плодовитост при жените. Феромоните, освободени от сестри и други жени, живеещи заедно, могат да причинят синхронизация на техните менструални цикли. Вероятно мъжките мъже също реагират подсъзнателно на женските феромони по начин, който засяга техните репродуктивни системи.

НОВИНИ: В 2 март 2012 г., брой на Вестник по биологична химия, Wei Cheng et.al съобщават, че някои човешки нервни клетки имат протеини на повърхностите си, които позволяват на m да различават няколко различни температури в леко топъл до горещ диапазон. Тази способност за усещане може да играе важна роля в начина, по който реагираме физиологично на горещи температури. Обобщена версия на тази информация е достъпна в ScienceDaily.