La energía y los seres vivos
Antoine Laurent Lavoisier (1749-1794) y Pierre Simón de Laplace
(1749-1827) calcularon el calor liberado por el animal según la cantidad
de hielo circundante que fundía. Determinaron que el calor animal era
producido por las combustiones de los tejidos; los animales oxidan la materia
organica para obtener energía tanto calórica como
para crecer y moverse.
Cien años mas tarde Claude Bernard observo que la estabilidad de
algunos parametros (temperatura) del medio interno confiere a los seres
vivos una gran independencia con las fluctuaciones del medio externo
Lo seres vivos en su ambiente
En el planeta Tierra existe una gran variedad de ambientes. Las condiciones
climaticas son muy heterogéneas y fluctúan entre extremos
tan fríos, como
la Antartida, hasta temperaturas tan altas como las zonas desérticas africanas.
La naturaleza física del ambiente, determina qué
tipo de organismos viven en él. La principal fuente de energía
para la vida en el planeta Tierra proviene del Sol. Del 100% de la
energía solar que llega a la Tierra, solo el 51% alcanza la superficie
del planeta. Esta energía es aprovechada de diferentes
maneras por los seres vivos. Estos incorporan materia y energía del
media, las transforman en su interior y las aprovechan para su crecimiento y
mantenimiento. También generan desechos que liberan al
ambiente, a la vez que disipan energía en forma de calor. Por eso sedice que los seres vivos son sistemas abiertos.
La importancia de la temperatura
Los principales factores que determinan la distribución de las
comunidades y organismos sobre la Tierra son la temperatura del aire y la
disponibilidad de agua. Todos los organismos poseen una temperatura fuera de la
cual no pueden sobrevivir, que se conoce como temperatura critica.
La energía y los alimentos
La energía disponible para la vida de todos los animales proviene de los
alimentos y se utiliza en una amplia variedad de funciones
Funciones fisiológicas esenciales Trabajo muscular externo
Producción de calor Fotosíntesis (plantas)
Sistema nervioso, Corazón, pulmones, digestión, etc. Caminar, levantar peso, hablar, etc. Mantiene estable la
temperatura del
cuerpo. Obtención de energía del Sol
El balance energético requiere que la ingesta calórica a lo largo
del tiempo
sea igual al número de calorías consumidas en cada una de las
funciones antes mencionadas.
El metabolismo energético
El metabolismo es la suma de todas las reacciones químicas que se
producen en un organismo. El metabolismo
energético es el balance global de las transformaciones
metabólicas que tienen lugar en todos y cada uno de los tejidos de un organismo vivo.
El metabolismo energético varía fundamentalmente en
función de la actividad del animal, la temperatura
ambiental y el tamaño. La tasa metabólica basal (TMB) es la
cantidad mínima de energía requerida por el animal paramantenerse
vivo en condiciones normales de reposo.
El tamaño corporal es una de las características mas
importantes que inciden en la fisiología de un
organismo.
El calor y la temperatura corporal
Si un organismo se encuentra a la misma temperatura
que su ambiente, no se producira intercambio de calor. En cambio, si
estan a distintas temperaturas habra un
flujo de calor entre ellos. Esto último es lo que en
general ocurre en la naturaleza.
De toda la energía química absorbida por el
organismo, procedente de los alimentos, una parte se libera al ambiente en
forma de calor. El intercambio de calor en un
organismo depende de la producción de calor mediante el metabolismo; de
la ganancia de calor externo y de la perdida de calor al ambiente. La
temperatura corporal de un organismo es un indicador
importante del medio interno y del resultado del
equilibrio entre la producción y la perdida de calor.
Los mecanismos de transferencia de calor
La transferencia de calor se produce de diferentes maneras, según el
medio en que circula la energía. Entre los seres vivos y su ambiente este flujo de calor se da a través de una variedad de
procesos físicos cuya importancia varía entre los ambientes. Los
organismos acuaticos, por ejemplo intercambian calor con su entorno
vía conducción y convección, preferentemente. En cambio, para organismos terrestres, la conducción,
convección, radiación y evaporación contribuyen
significativamente a la temperatura delcuerpo.
El contenido calórico total de un animal
esta determinado por la producción metabólica de calor y
el flujo térmico entre el animal y su entorno.
La regulación de la temperatura en los animales
La temperatura es un indicador del estado de agitación molecular, es
decir, queda determinada por el promedio de las velocidades con que se mueven
(vibran, rotan o se desplazan) las moléculas, incluso las que forman el
cuerpo de los animales. Cuanto mas lento sea el
movimiento de las moléculas, mas baja sera la temperatura
y, por lo tanto, con mayor lentitud se llevaran a cabo las reacciones
químicas. El calor, incrementa la velocidad de
estas reacciones. Por consiguiente, mantener el medio interno en un estado que permita el funcionamiento normal de las
células es crucial para la supervivencia de los seres vivos. La
regulación de la temperatura es un mecanismo
homeostatico.
La clasificación térmica de los animales
Los zoólogos, científicos que se dedican al estudio de los
animales, usan como
criterio para clasificar a los seres vivos según su temperatura, el
grado de control de la temperatura corporal. Podemos clasificar dos tipos
Homeotermos Poiquilotermos
Mantienen constantes su temperatura independientemente de la ambiental y la
regulan en un rango bien estrecho. Su temperatura corporal puede fluctuar entre
margenes amplios, para adaptarse a la temperatura ambiental del aire o el agua
Otra clasificación es la fisiológica,que
describe las temperaturas corporales como
el resultado de un equilibrio entre la ganancia y la pérdida de calor,
se clasifican en:
Ectotermos Heliotermos Tigmotermos Endotermos
Su temperatura corporal esta determinada únicamente por el ambiente.
La fuente de energía para regular la temperatura corporal es externa. La
fuente de energía es el Sol. Obtienen calor de alguna superficie, ya sea
por contacto o por radiación. Son capaces de producir y retener
suficiente calor para elevar su temperatura corporal por encima de la del
entorno. La fuente de energía para regular la temperatura corporal es
interna.
Características de los animales Endotermos.
Poseen una superficie corporal con conductividad
térmica baja. Esto les permite conservar el
calor aunque haya una gran diferencia de temperaturas entre el ambiente y el
cuerpo. Ejemplo: Las plumas y los pelos atrapan y retiene el aire que
tiene una conductividad térmica muy baja.
El grado de aislamiento térmico de un animal
esta relacionado con el tamaño y la forma geométrica del cuerpo. La
pérdida de calor en las especies grandes es menor que en las
pequeñas. Los animales pueden controlar su superficie aparente con
cambios de postura.
Generan calor a través del metabolismo. La tasa
metabólica basal de un Endotermo es 5 veces
mayor que la de un Hectotermo, de igual tamaño y temperatura corporal.
Características de los animales Hectotermos.
Los animales Hectotermos poseensuperficies corporales con conductividades
térmicas elevadas. Por ello el calor generado por los
procesos metabólicos se irradiarían rapidamente al
ambiente.
Es posible encontrar animales Hectotermos tanto en ambientes calidos como
fríos, donde se registran importantes fluctuaciones diarias de
temperatura. Una estrategia de los Hectotermos para regular
su temperatura es cambiar de lugar a medida que pasa el día.
Los mecanismos de regulación en Endotermos
Los animales Endotermos emplean una diversidad de mecanismos ficiologicos y de
comportamiento, de manera que su temperatura corporal se mantiene relativamente
estable. Esta temperatura es controlada por mecanismos
homeostaticos que regulan la producción y perdida de calor.
Ambientes calidos
El calor se transfiere desde el interior del cuerpo a la superficie,
principalmente por la circulación de la sangre. En los
Endotermos la tasa de perdida de calor se regula por el flujo de sangre a los
vasos sanguíneos de la superficie corporal. Ej: el Camello y el
Tucan.
Cuando la vaso dilatación no es suficiente para mantener la temperatura
en un valor normal, se desencadena otro mecanismo
denominado enfriamiento por evaporación. Algunas aves y mamíferos
que no transpiran toman agua del
ambiente, la distribuyen por diferentes partes del cuerpo y dejan que se evapore.
Ambientes fríos
A medida que disminuye la temperatura ambiental los Endotermos conservan el
calor por medio de la vasoconstricción.Es respuesta al ambiente frio la sangre no se dirige hacia la superficie de un
Endotermo. El pelaje esta por fuera de la piel y de la
circulación. La piloerección aumenta el aislamiento y
disminuye la perdida de calor. La capa de grasa esta debajo de la piel y es
irrigada por vasos sanguíneos, su aislamiento se regula desviando la
sangre por debajo de la grasa, lejos de la superficie.
Otra respuesta fisiológica de los animales Endotermos
es la termogénesis. El cuerpo genera grandes
cantidades de calor a partir de las reservas energéticas; convierten la
energía química exclusivamente en calor, en lugar de utilizarla
para otros procesos vitales (tiritar).
Otra adaptación de algunos animales es cambiar su plumaje a lo largo del
año.
Intercambiador térmico entre corriente
Es una adaptación que presentan muchos animales terrestres y marinos de ambiente frío. La sangre caliente y
fría fluye en direcciones opuestas en dos vasos sanguíneos
adyacentes. Uno de los vasos (venas) lleva sangre fría hacia el interior
del
cuerpo, mientras que el otro (arterias) lleva sangre caliente desde las
extremidades. Ej: el lobo que habita en el Artico.
Intercambios térmicos en las plantas
Las plantas carecen de la movilidad que poseen los animales. Debido a
ello son muy afectadas por los cambios en la temperatura ambiental, los que
determina que en su gran mayoría sean
poiquilotermas. Cuando las temperaturas no son las adecuadas,
las plantas pueden detectar elcambio y activar respuestas específicas.
La enorme cantidad de calor es disipada por radiación de onda larga pero
también por conducción y convección, asi
como por
transpiración. Una estrategia es variar el angulo en que la hoja
recibe la radiación del Sol para evitar que
incida directamente sobre ella. También pueden
producir proteínas específicas, denominadas de choque
térmico que ayudan a las proteínas involucradas en el metabolismo
a no perder su funcionalidad.
Adaptaciones y temperatura
Existen diversos tipos de hojas, cuyas formas y tamaños son de gran
importancia en relación con el intercambio de calor. El
menor tamaño de la hoja se relaciona, en forma directa con una mayor
pérdida de calor por convección.
Se aprecia una gran diferencia en la perdida de calor por
convección entre las hojas lobuladas y las de bordes enteros. En
algunos ambientes extremos, como en el desierto las hojas se
han transformado en espinas para evitar la pérdida de agua por
transpiración (cactus).
Algunas plantas también pueden generar grandes
cantidades de calor en alguna parte de su cuerpo.
Estados metabólicos especiales
Adaptaciones especiales frente a las temperaturas extremas de los Endotermos.
El letargo es una disminución de las actividades corporales
que incluye una reducción de la tasa metabólica. Los tipos
de letargo conocidos son los siguientes
Sueño Torpor Hibernación Sueño invernal Estivación
o sueño estival
Todos lo experimentamos.Disminución profunda de la temperatura corporal.
Se trata de un periodo de torpor profundo y
prolongado. La temperatura relativamente mas alta
y el ahorro de energía no es el mismo, se produce en la mayoría
de los osos y otros mamíferos de talla grande. Es un
estado de aletargamiento en el que caen
algunos vertebrados e invertebrados en respuesta a temperaturas elevadas o a
deshidratación.
hgiLos animales heterotermos temporales abandonan
temporalmente los procesos homeotermicos y dejan que la temperatura de su
cuerpo se aproxime a la del
ambiente.
La energía en la célula
Todos los seres vivos estan formados por células. Ellas requieren
un suministro de energía continua, necesario
para la síntesis de moléculas complejas, la ejecución de
trabajo mecanico y el transporte de sustancias a través de sus membranas
esto se consigue por medio del
metabolismo.
Algunas de las reacciones que tiene lugar en la célula
son productoras de energía; se denominan exergónicas. Por el contrario las reacciones endergónicas requieren
energía para producirse. Los seres vivos hacen uso
de sustancias intermediarias capaces de almacenar energía
transitoriamente (ATP).
La gran mayoría de los seres vivos obtienen energía de los
nutrientes por medio de un proceso denominado
respiración celular que se realiza en presencia de oxigeno
(aeróbica). Como0 resultado del proceso se fabrican
moléculas de ATP que intervienen en todas las reacciones químicas
de las células.